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Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 Outubro, 2005 EVOLUÇÃO MOLECULAR IN VITRO: SELEÇÃO DE MOLÉCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

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Page 1: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

Boletim de Pesquisa 99

e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 Outubro 2005

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

Repuacuteblica Federativa do Brasil Luiz Inaacutecio Lula da Silva Presidente Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento Roberto Rodrigues Ministro Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria Conselho de Administraccedilatildeo Luis Carlos Guedes Pinto Presidente Silvio Crestana Vice-Presidente Alexandre Kalil Pires Ernesto Paterniani Helio Tollini Marcelo Barbosa Saintive Membros Diretoria-Executiva da Embrapa Silvio Crestana Diretor Presidente Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila Kepler Euclides Filho Tatiana Deane de Abreu Saacute Diretores Executivos Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias Chefe-Geral Mauriacutecio Antocircnio Lopes Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento Maria Isabel de Oliveira Penteado Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios Maria do Rosaacuterio de Moraes Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

Recursos Geneacuteticos eBiotecnologia ISSN 1676 - 1340

Outubro 2005

Boletim de Pesquisa

e Desenvolvimento 99

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO M Cristina Mattar da Silva Patriacutecia S F Brunetta Edson L Z Figueira Mariana T Q Magalhatildees Gustavo R Oliveira Hudson B Ramos Rafael P del Sarto Cleiton M Cruz Raquel S Oliveira Keline L Cavalcanti Kilvia Craveiro Aulus E A D Barbosa Norma S Paes Thales L Rocha Fabiola R Teixeira Marise V Coutinho Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

Brasiacutelia DF 2005

Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTUhttpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

emailsaccenargenembrapabr Comitecirc de Publicaccedilotildees Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo Membros Arthur da Silva Mariante

Maria Alice Bianchi Maria de Faacutetima Batista Mauriacutecio Machain Franco Regina Maria Dechechi Carneiro Sueli Correa Marques de Mello Vera Tavares de Campos Carneiro

Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

1ordf ediccedilatildeo 1ordf impressatildeo (2005) E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do

algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005 22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos

Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99) 1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira

Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

632951 ndash CDD 21

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SUMAacuteRIO RESUMO6 ABSTRACT8 INTRODUCcedilAtildeO 9 OBJETIVO10 MATERIAL E MEacuteTODOS11 1 DNA Shuffling 11 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para

inibidores de α-amilases11 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display) 13 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry 13 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs 13 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13 5 Bioensaios14 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 14 1- Biblioteca de variantes de genes cry14 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes 18 CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19 REFEREcircNCIAS 20

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

M Cristina Mattar da Silva1

Patriacutecia S F Brunetta2

Edson L Z Figueira3

Mariana T Q Magalhatildees4

Gustavo R Oliveira5

Hudson B Ramos6

Rafael P del Sarto7

Cleiton M Cruz8

Raquel S Oliveira9

Keline L Cavalcanti10

Kilvia Craveiro11

Aulus E A D Barbosa12

Norma S Paes13

Thales L Rocha14

Fabiola R Teixeira15

Marise V Coutinho16

Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute17

1 Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2 Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 3 Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 4 Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 5 Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 6 Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 7 Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 8 Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 9 Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 10 Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 11 Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 12 Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 13 Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 14 Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 15 Graduanda em Biologia- FTB 16 Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

617 Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

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RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

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INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

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                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      escala 13

                      1mm13

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                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

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Repuacuteblica Federativa do Brasil Luiz Inaacutecio Lula da Silva Presidente Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento Roberto Rodrigues Ministro Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria Conselho de Administraccedilatildeo Luis Carlos Guedes Pinto Presidente Silvio Crestana Vice-Presidente Alexandre Kalil Pires Ernesto Paterniani Helio Tollini Marcelo Barbosa Saintive Membros Diretoria-Executiva da Embrapa Silvio Crestana Diretor Presidente Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila Kepler Euclides Filho Tatiana Deane de Abreu Saacute Diretores Executivos Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias Chefe-Geral Mauriacutecio Antocircnio Lopes Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento Maria Isabel de Oliveira Penteado Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios Maria do Rosaacuterio de Moraes Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

Recursos Geneacuteticos eBiotecnologia ISSN 1676 - 1340

Outubro 2005

Boletim de Pesquisa

e Desenvolvimento 99

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO M Cristina Mattar da Silva Patriacutecia S F Brunetta Edson L Z Figueira Mariana T Q Magalhatildees Gustavo R Oliveira Hudson B Ramos Rafael P del Sarto Cleiton M Cruz Raquel S Oliveira Keline L Cavalcanti Kilvia Craveiro Aulus E A D Barbosa Norma S Paes Thales L Rocha Fabiola R Teixeira Marise V Coutinho Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

Brasiacutelia DF 2005

Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTUhttpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

emailsaccenargenembrapabr Comitecirc de Publicaccedilotildees Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo Membros Arthur da Silva Mariante

Maria Alice Bianchi Maria de Faacutetima Batista Mauriacutecio Machain Franco Regina Maria Dechechi Carneiro Sueli Correa Marques de Mello Vera Tavares de Campos Carneiro

Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

1ordf ediccedilatildeo 1ordf impressatildeo (2005) E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do

algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005 22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos

Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99) 1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira

Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

632951 ndash CDD 21

5

SUMAacuteRIO RESUMO6 ABSTRACT8 INTRODUCcedilAtildeO 9 OBJETIVO10 MATERIAL E MEacuteTODOS11 1 DNA Shuffling 11 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para

inibidores de α-amilases11 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display) 13 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry 13 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs 13 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13 5 Bioensaios14 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 14 1- Biblioteca de variantes de genes cry14 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes 18 CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19 REFEREcircNCIAS 20

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

M Cristina Mattar da Silva1

Patriacutecia S F Brunetta2

Edson L Z Figueira3

Mariana T Q Magalhatildees4

Gustavo R Oliveira5

Hudson B Ramos6

Rafael P del Sarto7

Cleiton M Cruz8

Raquel S Oliveira9

Keline L Cavalcanti10

Kilvia Craveiro11

Aulus E A D Barbosa12

Norma S Paes13

Thales L Rocha14

Fabiola R Teixeira15

Marise V Coutinho16

Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute17

1 Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2 Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 3 Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 4 Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 5 Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 6 Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 7 Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 8 Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 9 Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 10 Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 11 Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 12 Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 13 Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 14 Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 15 Graduanda em Biologia- FTB 16 Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

617 Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

7

RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

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                      escala 13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 3: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

Recursos Geneacuteticos eBiotecnologia ISSN 1676 - 1340

Outubro 2005

Boletim de Pesquisa

e Desenvolvimento 99

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO M Cristina Mattar da Silva Patriacutecia S F Brunetta Edson L Z Figueira Mariana T Q Magalhatildees Gustavo R Oliveira Hudson B Ramos Rafael P del Sarto Cleiton M Cruz Raquel S Oliveira Keline L Cavalcanti Kilvia Craveiro Aulus E A D Barbosa Norma S Paes Thales L Rocha Fabiola R Teixeira Marise V Coutinho Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

Brasiacutelia DF 2005

Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTUhttpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

emailsaccenargenembrapabr Comitecirc de Publicaccedilotildees Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo Membros Arthur da Silva Mariante

Maria Alice Bianchi Maria de Faacutetima Batista Mauriacutecio Machain Franco Regina Maria Dechechi Carneiro Sueli Correa Marques de Mello Vera Tavares de Campos Carneiro

Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

1ordf ediccedilatildeo 1ordf impressatildeo (2005) E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do

algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005 22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos

Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99) 1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira

Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

632951 ndash CDD 21

5

SUMAacuteRIO RESUMO6 ABSTRACT8 INTRODUCcedilAtildeO 9 OBJETIVO10 MATERIAL E MEacuteTODOS11 1 DNA Shuffling 11 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para

inibidores de α-amilases11 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display) 13 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry 13 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs 13 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13 5 Bioensaios14 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 14 1- Biblioteca de variantes de genes cry14 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes 18 CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19 REFEREcircNCIAS 20

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

M Cristina Mattar da Silva1

Patriacutecia S F Brunetta2

Edson L Z Figueira3

Mariana T Q Magalhatildees4

Gustavo R Oliveira5

Hudson B Ramos6

Rafael P del Sarto7

Cleiton M Cruz8

Raquel S Oliveira9

Keline L Cavalcanti10

Kilvia Craveiro11

Aulus E A D Barbosa12

Norma S Paes13

Thales L Rocha14

Fabiola R Teixeira15

Marise V Coutinho16

Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute17

1 Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2 Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 3 Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 4 Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 5 Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 6 Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 7 Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 8 Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 9 Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 10 Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 11 Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 12 Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 13 Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 14 Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 15 Graduanda em Biologia- FTB 16 Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

617 Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

7

RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Mortalidade ()13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      13

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                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 4: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTUhttpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

emailsaccenargenembrapabr Comitecirc de Publicaccedilotildees Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo Membros Arthur da Silva Mariante

Maria Alice Bianchi Maria de Faacutetima Batista Mauriacutecio Machain Franco Regina Maria Dechechi Carneiro Sueli Correa Marques de Mello Vera Tavares de Campos Carneiro

Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

1ordf ediccedilatildeo 1ordf impressatildeo (2005) E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do

algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005 22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos

Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99) 1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira

Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

632951 ndash CDD 21

5

SUMAacuteRIO RESUMO6 ABSTRACT8 INTRODUCcedilAtildeO 9 OBJETIVO10 MATERIAL E MEacuteTODOS11 1 DNA Shuffling 11 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para

inibidores de α-amilases11 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display) 13 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry 13 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs 13 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13 5 Bioensaios14 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 14 1- Biblioteca de variantes de genes cry14 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes 18 CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19 REFEREcircNCIAS 20

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

M Cristina Mattar da Silva1

Patriacutecia S F Brunetta2

Edson L Z Figueira3

Mariana T Q Magalhatildees4

Gustavo R Oliveira5

Hudson B Ramos6

Rafael P del Sarto7

Cleiton M Cruz8

Raquel S Oliveira9

Keline L Cavalcanti10

Kilvia Craveiro11

Aulus E A D Barbosa12

Norma S Paes13

Thales L Rocha14

Fabiola R Teixeira15

Marise V Coutinho16

Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute17

1 Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2 Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 3 Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 4 Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 5 Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 6 Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 7 Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 8 Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 9 Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 10 Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 11 Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 12 Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 13 Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 14 Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 15 Graduanda em Biologia- FTB 16 Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

617 Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

7

RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 5: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

5

SUMAacuteRIO RESUMO6 ABSTRACT8 INTRODUCcedilAtildeO 9 OBJETIVO10 MATERIAL E MEacuteTODOS11 1 DNA Shuffling 11 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para

inibidores de α-amilases11 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display) 13 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry 13 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs 13 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13 5 Bioensaios14 RESULTADOS E DISCUSSAtildeO 14 1- Biblioteca de variantes de genes cry14 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes 18 CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19 REFEREcircNCIAS 20

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

M Cristina Mattar da Silva1

Patriacutecia S F Brunetta2

Edson L Z Figueira3

Mariana T Q Magalhatildees4

Gustavo R Oliveira5

Hudson B Ramos6

Rafael P del Sarto7

Cleiton M Cruz8

Raquel S Oliveira9

Keline L Cavalcanti10

Kilvia Craveiro11

Aulus E A D Barbosa12

Norma S Paes13

Thales L Rocha14

Fabiola R Teixeira15

Marise V Coutinho16

Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute17

1 Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2 Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 3 Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 4 Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 5 Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 6 Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 7 Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 8 Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 9 Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 10 Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 11 Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 12 Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 13 Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 14 Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 15 Graduanda em Biologia- FTB 16 Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

617 Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

7

RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

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MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      13

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                      13

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                      13

                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 6: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

M Cristina Mattar da Silva1

Patriacutecia S F Brunetta2

Edson L Z Figueira3

Mariana T Q Magalhatildees4

Gustavo R Oliveira5

Hudson B Ramos6

Rafael P del Sarto7

Cleiton M Cruz8

Raquel S Oliveira9

Keline L Cavalcanti10

Kilvia Craveiro11

Aulus E A D Barbosa12

Norma S Paes13

Thales L Rocha14

Fabiola R Teixeira15

Marise V Coutinho16

Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute17

1 Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2 Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 3 Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 4 Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 5 Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 6 Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 7 Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 8 Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 9 Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 10 Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 11 Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 12 Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 13 Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 14 Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 15 Graduanda em Biologia- FTB 16 Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

617 Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

7

RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      13

                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 7: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

7

RESUMO

O bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho (Spodoptera

frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos

danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas

envolvidas com a defesa de plantas incluindo as δ-endotoxinas e os inibidores de α-

amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos

insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas

por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes

com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas

combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display

Trecircs genes para toxinas Cry (cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo

dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados

para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das

bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes

mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal (Brush

Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para

moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes

foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na

geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade

melhoradas para insetos-praga alvos

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Mortalidade ()13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      13

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                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      13

                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 8: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

8

ABSTRACT

The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera

frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control

those insect pests protein related to plant defense including δ-endotoxins and α-

amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution

strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved

toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed

using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were

constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from

Bacillus thuringiensis (Bt) and a further library constructed by homologous recombination

of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted

in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries

were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively

The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large

numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect

pests

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 9: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

9

INTRODUCcedilAtildeO

A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para

o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola

20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A

primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de

1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi

plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada

provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta

haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra

19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo

plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de

entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de

trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor

ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de

insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc (Alabama argilacea) a

lagarta do cartucho do milho (Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde (Heliothis

virescens) e a lagarta rosada (Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores

e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de

nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na

cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos

meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do

cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas

maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a

quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de

grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa

em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de

preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente

modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos

programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a

aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares

crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

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M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

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                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

                      image3

                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

                      image4

                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      13

                      escala 13

                      1mm13

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                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 10: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

10

plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas

GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta

tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da

produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos

riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores

e para a sociedade em geral

Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do

Bacillus thuringiensis (Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de α-

amilases - αAIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas

aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e

GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais

uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de

moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a

recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes)

que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994

ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir

da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os

fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo

origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR

(Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes

mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito

especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de

importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos

ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees

potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees

de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este

processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e

recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica

de interesse que ocorre na natureza

OBJETIVO

Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas

utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os

11

insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

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MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

YOUNG N M THIBAULT P WATSON D C CHRISPEELS M J Post-translational processing of two α-amylase inhibitors and an arcelin from the common bean Phaseolus vulgaris FEBS Letters Amsterdam v 446 p203-206 1999

ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
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                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

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                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

                      image3

                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

                      image4

                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

                      image5

                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Fragoso R R Silva S M B Oliveira G R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

                      Praccedila L B Batista A C Martins E S Siqueira C B Dias D G S Gomes A C M Falcatildeo R Monnerat R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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                      B13

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                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 11: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

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insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no

desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

MATERIAL E MEacuteTODOS 1 - DNA Shuffling

Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de α-amilases foram

utilizados os genes descritos na tabela 1

Fonte Origem Genes Referecircncias

cry1Ia12 Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

cry8Ha1 Magalhatildees MTQ et al 2001

Microorganismo B thuringiensis (Bt)

cry3Aa1 Bacillus Genetic Stock Center-EUA

Vegetal P vulgaris (Feijatildeo comum) α-AI1e α-AI2 Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811

cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180

μgmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta

atividade contra A grandis (LC50 = 230 μgmL) e S frugiperda (LC50 = 5 μgmL) O gene

cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo

apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes α-AI-1 e αAI-2

foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de α-amilases os

quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases

Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

Genes Cry 10 μg de DNA foram dissolvidos em 80 μl de tampatildeo de DNAse I (Tris

50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com

a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 UμL) A reaccedilatildeo ocorreu

a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A

fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Mortalidade ()13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      escala 13

                      1mm13

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                      Mortalidade ()13

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                      Mortalidade ()13

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                      B13

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      13

                      13

                      13

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                      13

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                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 12: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

12

contendo tamanhos variados foram purificados em coluna (PCR purification Kit - QIagen)

ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

Genes α-AI α-AI-1 e αAI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num

um total de 10 μg A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 μl de tampatildeo

DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo

da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

Foram adicionados 10 μL do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo

de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de

dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf

Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC

Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim

de extensatildeo final a 72 oC

Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados

como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo

da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA

polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das

enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity

(Invitrogen) e 08 μM de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24

ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s

a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo

a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos

genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os

genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees

resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no

fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem

franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas

construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

BIBER J STIEGER B HAASE W MURER H A high yield preparation for rat kidney brush border membranes different behaviour of lysosomal markers Biochimica et Biophysica Acta v 647 p169-176 1981

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COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO (CONAB) Disponiacutevel em lt httpwwwconabgovbr gt Acesso em out 2005

DEL SARTO R P Seleccedilatildeo de Genes para inibidores de α-amilases com potencial uso no controle do bicudo do algodoeiro (Anthonomus grandis) 2004 27p Monografia (Graduaccedilatildeo) ndash Faculdade da Terra de Brasiacutelia Brasiacutelia

GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS J M Molecular Cloning of Bruchid (Zabrotes subfasciatus) α-amyalse cDNA and Interactions of the Expressed Enzyme with Bean Amylase Inhibitors Insect Biochemistry and Molecular Biology Oxford v27 p 271-281 1997

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

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specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

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                      -2

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                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

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                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 13: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

13

combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito

por Barbas et al (2001)

3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)

31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas

(receptores) existentes nas BBMV (Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos

insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo

Biber et al (1981) Utilizou-se 100 μg de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma

placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos

sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados

1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas

variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo

de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens

usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo

aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes

com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e

submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O

enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de

saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-

Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs

Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para αAIs foram selecionados de

acordo com a afinidade pelas α-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL

SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 μg

da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com

as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994)

A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate

(httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo

de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

                      Praccedila L B Batista A C Martins E S Siqueira C B Dias D G S Gomes A C M Falcatildeo R Monnerat R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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                      B13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      escala 13

                      1mm13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 14: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

14

5 Bioensaios Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos

e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram

incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios

foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As

placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este

periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram

utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas

foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de

incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo

Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

No caso dos inibidores de αAIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens

proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a

seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e

especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo

de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de

Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

1- Biblioteca de variantes de genes cry

Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A

grandis e S frugiperda a cepa S811 (Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial

inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e

cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995)

apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de

dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers

especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de

dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema

heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As

proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram

testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda

segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi

utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
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                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

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                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

                      image3

                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

                      image4

                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

                      image5

                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

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                      13

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                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      13

                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 15: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

15

coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi

observada (tabela 2)

Proteiacutenas CL50

A grandis S frugiperdaCry8Ha1 180 μgml NA Cry1Ia12 230 μgml 5 μgml Cry3Aa1 NA NA

Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs

estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes

cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12

Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como

descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas

no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de

105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

Biblioteca No variantes No ciclos seleccedilatildeo

Enriquecimento de fagos(ciclo)

Clones selecionados

AG SF AG SF

cry1Ia12 930 X 105 6 5 5 30 30

cry3Aa1 683 X 105 6 3 4 21 16

cry8Ha 190 X 107 6 3 3 30 30

Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de

novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A

grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra

ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a

quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade

foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

M8-AGA

M9-AGA

M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

M14-AGA

M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

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                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

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                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      13

                      13

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                      13

                      13

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                      13

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                      13

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                      13

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                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 16: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro

vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado

foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-

M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura

1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando

essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes

apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo

das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios

podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios

utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e

toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram

conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos

resultados

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry8 c8-M1 c8-M2 c8-M3 c8-M4 c8-M5 c8-M6 c8-M7 c8-M8

0

10

20

30

40

50

60

70

c (-) cry3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6

A B

Mortalidade ()

Mortalidade ()

Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de

mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

16

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

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M22-AGA

M1-AGA

M2-AGA

M3-AGA

M4-AGA

M5-AGA

M6-AGA

M7-AGA

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M10-AGA

M11-AGA

M12-AGA

M13-AGA

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M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

                      4

                      6

                      8

                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

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                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

                      image3

                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

                      image4

                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      13

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                      13

                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 17: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

17

Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das

larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade

inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos

indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage

display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas

moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde

determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em

quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa

forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de

expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com

maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento

das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas

sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando

comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de

toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal

desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio

(experimento em andamento)

0

10

20

30

40

50

60

70

cr y3 c3-M1 c3-M2 c3-M3 c3-M4 c3-M5 c3-M6 c3-M7 c3-M8 c3-M9

Mortalidade (

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

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M1-AGA

M2-AGA

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M5-AGA

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M7-AGA

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M11-AGA

M12-AGA

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M15-AGA

M16-AGA

M17-AGA

M18-AGA

M19-AGA

M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

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SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

                      2

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                      PESO (g X 10

                      -2

                      )

                      image7emf

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                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 18: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

0

2

4

6

8

10PE

SO (g

X 1

0-2)

A

escala 1mm

B

Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de α-

amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes αAI-1 e αAI-2 Estes inibidores isolados de

sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das α-

amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto αAI-1 inibe a α-

amilase pancreaacutetica de porco e as α-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e

Callosobruchus chinensis o αAI-2 inibe especificamente a α-amilase do bruquiacutedeo

Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a α-amilase do bicudo do algodoeiro

Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com

atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo

pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e

sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes

apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores α-AI1 e

α-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem

identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes

exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do

α-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do α-AI2 Anaacutelises

computacionais utilizando os modelos estruturais dos αAIs variantes (estudo em

andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na

atividade inibitoacuteria

18

M1-AGA

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M20-AGA

M21-AGA

M22-AGA

Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

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DEL SARTO R P Seleccedilatildeo de Genes para inibidores de α-amilases com potencial uso no controle do bicudo do algodoeiro (Anthonomus grandis) 2004 27p Monografia (Graduaccedilatildeo) ndash Faculdade da Terra de Brasiacutelia Brasiacutelia

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

YOUNG N M THIBAULT P WATSON D C CHRISPEELS M J Post-translational processing of two α-amylase inhibitors and an arcelin from the common bean Phaseolus vulgaris FEBS Letters Amsterdam v 446 p203-206 1999

ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

                      0

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                      PESO (g X 10

                      -2

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                      image7emf

                      0

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                      20

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                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      13

                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      13

                      13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 19: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

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Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos

da seleccedilatildeo contra α-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o

vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300

sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd)

e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo

usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em

plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas

variantes seraacute posteriormente avaliada contra α-amilases de A grandis afim de

identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo

das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande

quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com

atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca

de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos

mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-

praga

19

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

BIBER J STIEGER B HAASE W MURER H A high yield preparation for rat kidney brush border membranes different behaviour of lysosomal markers Biochimica et Biophysica Acta v 647 p169-176 1981

CARLINI C R GROSSI-DE-SAacute M F Plant toxic proteins with insecticidal properties A review on their potentialities of bioinsecticides Toxicon Elmsford New York USA v 40 n 11 p 1515-1539 2002

COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO (CONAB) Disponiacutevel em lt httpwwwconabgovbr gt Acesso em out 2005

DEL SARTO R P Seleccedilatildeo de Genes para inibidores de α-amilases com potencial uso no controle do bicudo do algodoeiro (Anthonomus grandis) 2004 27p Monografia (Graduaccedilatildeo) ndash Faculdade da Terra de Brasiacutelia Brasiacutelia

GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS J M Molecular Cloning of Bruchid (Zabrotes subfasciatus) α-amyalse cDNA and Interactions of the Expressed Enzyme with Bean Amylase Inhibitors Insect Biochemistry and Molecular Biology Oxford v27 p 271-281 1997

HIGGINS D THOMPSON J GIBSON T THOMPSON J D HIGGINS D G GIBSON T J CLUSTAL W improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting position-specific gap penalties and weight matrix choice Nucleic Acids Research Oxford v 22 p 4673-4680 1994

21

ISHIMOTO M CHRISPEELS M J Protective mechanisms of the Mexican bean weevil against high levels of a α-amylase inhibitor in the common bean Phaseolus vulgaris Plant Physiology Menneapolis v 111 p 393-401 1996

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

YOUNG N M THIBAULT P WATSON D C CHRISPEELS M J Post-translational processing of two α-amylase inhibitors and an arcelin from the common bean Phaseolus vulgaris FEBS Letters Amsterdam v 446 p203-206 1999

ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

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                      PESO (g X 10

                      -2

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                      50

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                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

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                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

                      image3

                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

                      image4

                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      escala 13

                      1mm13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      Mortalidade ()13

                      13

                      B13

                      13

                      A13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

                      EMBED ExcelChart8 s 13

                      13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 20: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

20

As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios

genes quimeacutericos com distinta afinidade para as α-amilases e receptores do intestino de

larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os

genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo

submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas

seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de

teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de

cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo

extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas

piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia

a pragas

Referecircncias

BARBAS III C F BURTON D R SCOTT J K SILVERMAN G J Selection from Antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-1020

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MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N FRAGOSO R R SILVA S M B OLIVEIRA G R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes Bacillus thuringiensis com potencial uso no controle das pragas do algodoeiro In WORKSHOP DE INTERACcedilAtildeO MOLECULAR PLANTAS-PRAGA 1 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004b p37-41

MAGALHAtildeES M T Q BATISTA J A N OLIVEIRA G R SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B FIGUEIRA E L Z MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

MAGALHAtildeES M T Q SILVA S M B FRAGOSO R R OLIVEIRA-NETO O B BATISTA J A N MONNERAT R G GROSSI-DE-SAacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

PRACcedilA L B BATISTA A C MARTINS E S SIQUEIRA C B DIAS D G S GOMES A C M FALCAtildeO R MONNERAT R G Prospecccedilatildeo de estirpes de Bacillus thuringiensis efetivas contra insetos da ordem lepidoacuteptera coleoacuteptera e diacuteptera Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2003 (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos geneacuteticos e Biotecnologia 1676-1340 41)

PUEYO J J HUNT D C CHRISPEELS M J Activation of bean (Phaseoulus vulgaris) α-amylase inhibitor requires proteolytic processing of the proprotein Plant Physiology Minneapolis v101 p 1341-1348 1993

RADER C STEINBERG P BARBAS III C F Selection from antibody libraries In Phage Display ndash A Laboratory Manual ndash USA Cold Spring Laboratory 2001 p 101-109

SILVA M C M GROSSI-DE-SAacute M F CHRISPEELS M J TOGAWA R C NESHICH G Analysis of structural and physico-chemical parameters involved in the

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

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ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
                    • image6emf

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                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

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                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Batista J A N Oliveira G R Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Figueira E L Z Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Isolamento de genes cry com potencial uso no controle do bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 9 2004 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2004a p 67

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo bioquiacutemica e clonagem de genes cry de uma estirpe de Bacillus thuringiensis efetiva contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 7 2002 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2002 p 34

                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      escala 13

                      1mm13

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                      Mortalidade ()13

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                      Mortalidade ()13

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                      B13

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

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                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

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TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

YOUNG N M THIBAULT P WATSON D C CHRISPEELS M J Post-translational processing of two α-amylase inhibitors and an arcelin from the common bean Phaseolus vulgaris FEBS Letters Amsterdam v 446 p203-206 1999

ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
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                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

                      image1emf

                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

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                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

                      image2

                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

                      image3

                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

                      image4

                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

                      image5

                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

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                      escala 13

                      1mm13

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                      Mortalidade ()13

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                      Mortalidade ()13

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                      B13

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                      A13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

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                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 22: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

22

specificity of binding between α-amylases and their inhibitors Protein Engineering Oxford v13 p 167-177 2000

STEMMER W P C DNA shuffling by random fragmentation and reassembly in vitro recombination for molecular evolution Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v91 p10747-10751 1994

TRANSLATE PROGRAM Disponiacutevel em lt httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate gt Acesso em jul 2005

YOUNG N M THIBAULT P WATSON D C CHRISPEELS M J Post-translational processing of two α-amylase inhibitors and an arcelin from the common bean Phaseolus vulgaris FEBS Letters Amsterdam v 446 p203-206 1999

ZHAO H ARNOLD F H Functional and nonfunctional mutations distinguished by random recombination of homologous genes Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Washington v 94 p 7997-8000 1997

  • Resumo
  • Abstract
  • Introduccedilatildeo
  • Objetivo
  • Material e Meacutetodos
    • 1 DNA Shuffling
      • 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases
        • 2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias
        • 3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)
          • 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry
          • 32 Seleccedilatildeo de variantes para αAIs
            • 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas
            • 5 Bioensaios
              • Resultados e Discussatildeo
                • 1 Biblioteca de variantes de genes cry
                • 2 Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes
                • 3 Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α-AI-1 e α-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes
                  • Conclusatildeo e Perspectivas
                  • Referecircncias
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                      2

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                      10

                      PESO (g X 10

                      -2

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                      40

                      50

                      60

                      70

                      cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6c3-M7c3-M8c3-M9

                      Boletim de Pesquisa 99

                      e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      Repuacuteblica Federativa do Brasil

                      Luiz Inaacutecio Lula da Silva

                      Presidente

                      Ministeacuterio da Agricultura Pecuaacuteria e Abastecimento

                      Roberto Rodrigues

                      Ministro

                      Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaacuteria

                      Conselho de Administraccedilatildeo

                      Luis Carlos Guedes Pinto

                      Presidente

                      Silvio Crestana

                      Vice-Presidente

                      Alexandre Kalil Pires

                      Ernesto Paterniani

                      Helio Tollini

                      Marcelo Barbosa Saintive

                      Membros

                      Diretoria-Executiva da Embrapa

                      Silvio Crestana

                      Diretor Presidente

                      Joseacute Geraldo Eugecircnio de Franccedila

                      Kepler Euclides Filho

                      Tatiana Deane de Abreu Saacute

                      Diretores Executivos

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Bioteconologia

                      Joseacute Manuel Cabral de Sousa Dias

                      Chefe-Geral

                      Mauriacutecio Antocircnio Lopes

                      Chefe-Adjunto de Pesquisa e Desenvolvimento

                      Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Chefe-Adjunto de Comunicaccedilatildeo e Negoacutecios

                      Maria do Rosaacuterio de Moraes

                      Chefe-Adjunto de Administraccedilatildeo

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                      Recursos Geneacuteticos e

                      Biotecnologia

                      ISSN 1676 - 1340

                      Outubro 2005

                      Boletim de Pesquisa

                      e Desenvolvimento 99

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Brasiacutelia DF

                      2005

                      Exemplares desta ediccedilatildeo podem ser adquiridos na

                      Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia

                      Serviccedilo de Atendimento ao Cidadatildeo

                      Parque Estaccedilatildeo Bioloacutegica Av W5 Norte (Final) ndash

                      Brasiacutelia DF CEP 70770-900 ndash Caixa Postal 02372 PABX (61) 3348-4739 Fax (61) 3340-3666 TUTUTU httpwwwcenargenembrapabrUUUTTT

                      emailsaccenargenembrapabr

                      Comitecirc de Publicaccedilotildees

                      Presidente Maria Isabel de Oliveira Penteado

                      Secretaacuterio-Executivo Maria da Graccedila Simotildees Pires Negratildeo

                      Membros A rthur da Silva Mariante

                      Maria Alice Bianchi

                      Maria de Faacutetima Batista

                      Mauriacutecio Machain Franco

                      Regina Maria Dechechi Carneiro

                      Sueli Correa Marques de Mello

                      Vera Tavares de Campos Carneiro

                      Supervisor editorial Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      Normalizaccedilatildeo Bibliograacutefica Maria Iara Pereira Machado

                      Editoraccedilatildeo eletrocircnica Maria da Graccedila S P Negratildeo

                      1ordf ediccedilatildeo

                      1ordf impressatildeo (2005)

                      E 92 Evoluccedilatildeo molecular in vitro seleccedilatildeo de moleacuteculas inseticidas para insetos-praga do algodoeiro Maria Cristina Mattar da Silva [et al] ndash Brasiacutelia DF Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2005

                      22p - (Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia ISSN 1676-1340 99)

                      1 Algodatildeo 3 Inseticidas 4 Pragas I Brunetta Patriacutecia S F II Figueira Edson L Z III Magalhatildees Mariana T Q IV Oliveira Gustavo R V Ramos Hudson B VI Del Sarto Rafael P VII Cruz Cleiton M VIII Oliveira Raquel S IX Cavalcanti Keline L X Craveiro Kilvia XI Barbosa Aulus E A D XII Paes Norma S XIII Rocha Thales L XiV Teixeira Fabiacuteola R XV Coutinho Marise V XVI Grossi-de-Saacute Maria de Faacutetima XVII Tiacutetulo XVIII Seacuterie

                      632951 ndash CDD 21

                      SUMAacuteRIO

                      RESUMO6

                      ABSTRACT8

                      INTRODUCcedilAtildeO9

                      OBJETIVO10

                      MATERIAL E MEacuteTODOS11

                      1 DNA Shuffling11

                      11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de (-amilases11

                      2 Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias12

                      3 Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas (Phage display)13

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry13

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs13

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas13

                      5 Bioensaios14

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO14

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry14

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes15

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de (-AI-1 e (-AI-2 e seleccedilatildeo de variantes18

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS19

                      REFEREcircNCIAS20

                      EVOLUCcedilAtildeO MOLECULAR IN VITRO SELECcedilAtildeO DE MOLEacuteCULAS INSETICIDAS PARA INSETOS-PRAGA DO ALGODOEIRO

                      image8emf

                      0

                      10

                      20

                      30

                      40

                      50

                      60

                      70

                      c (-)cry3c3-M1c3-M2c3-M3c3-M4c3-M5c3-M6

                      M Cristina Mattar da Silva

                      Patriacutecia S F Brunetta

                      Edson L Z Figueira

                      Mariana T Q Magalhatildees

                      Gustavo R Oliveira

                      Hudson B Ramos

                      Rafael P del Sarto

                      Cleiton M Cruz

                      Raquel S Oliveira

                      Keline L Cavalcanti

                      Kilvia Craveiro

                      Aulus E A D Barbosa

                      Norma S Paes

                      Thales L Rocha

                      Fabiola R Teixeira

                      Marise V Coutinho

                      Maria Faacutetima Grossi-de-Saacute

                      Resumo XE Resumo

                      O bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) e a lagarta do cartucho ( Spodoptera frugiperda) satildeo insetos que causam perdas significativas para a agricultura devido aos danos causados agrave cultura do algodatildeo Estrateacutegias biotecnoloacutegicas utilizam proteiacutenas envolvidas com a defesa de plantas incluindo as (-endotoxinas e os inibidores de α-amilases (αAIs) como ferramentas no desenvolvimento de plantas resistentes aos insetos-praga Neste contexto a estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas por meio da teacutecnica de DNA shuffling tem sido aplicada para gerar moleacuteculas variantes com melhor toxicidade e especificidade para insetos-praga Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram construiacutedas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e Phage display Trecircs genes para toxinas Cry ( cry1Ia12 cry3Aa1 e cry8Ha) assim como a recombinaccedilatildeo dos genes αAI-1 and αAI-2 isolados de sementes de Phaseolus vulgaris foram utilizados para a reaccedilatildeo de DNA shuffling gerando bibliotecas individualizadas Cada uma das bibliotecas de variantes de αAIs e de toxinas Cry geraram cerca de 105-107 genes mutantes que foram selecionados in vitro contra as α-amilases e BBMV intestinal ( Brush Border membrane Vesicles) dos insetos A grandis e S frugiperda Os genes para moleacuteculas variantes foram expressos na superfiacutecie de fagos e as proteiacutenas recombinantes foram avaliadas em bioensaios Os dados obtidos confirmam a eficiecircncia da estrateacutegia na geraccedilatildeo de um grande nuacutemero de moleacuteculas variantes com atividade e especificidade melhoradas para insetos-praga alvos

                      Abstract XE Abstract

                      The cotton boll weevil ( Anthonomus grandis) and the fall armyworm ( Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe losses to cotton agriculture In order to control those insect pests protein related to plant defense including (-endotoxins and α-amylases inhibitors (αAIs) has been used Additionally in vitro molecular evolution strategy has been applied to create variant genes whose protein products have improved toxicity and specificity against those insects Four combinatorial libraries were constructed using DNA shuffling and Phage Display techniques Three combinatorial libraries were constructed using the individual genes cry1Ia12 cry3Aa1 and cry8Ha isolated from Bacillus thuringiensis ( Bt) and a further library constructed by homologous recombination of αAI-1 and αAI-I2 genes isolated from Phaseolus vulgaris seeds All the libraries resulted in a range of 105-107 recombined genes The αamylase inhibitors and cry gene libraries were selected in vitro against A grandis α-amylases and or BBMV receptors respectively The results confirm in vitro molecular evolution as an efficient strategy to generate large numbers of variant molecules with improved activities and specificities towards insect pests

                      INTRODUCcedilAtildeO XE INTRODUCcedilAtildeO

                      A cotonicultura eacute uma das atividades de grande importacircncia soacutecio-econocircmica para o Brasil na atualidade ocupando 11518 mil hectares de aacuterea cultivada no ano agriacutecola 20042005 dentre os quais 631 mil na regiatildeo Centro-Oeste (COMPANHIA 2005) A primeira ocorrecircncia do bicudo do algodoeiro em territoacuterio nacional foi registrada no ano de 1983 quando uma aacuterea recorde de algodatildeo herbaacuteceo (2200000 de hectares) foi plantada Posteriormente observou-se uma diminuiccedilatildeo progressiva na aacuterea cultivada provocada principalmente pelas dificuldades no controle desta praga que apresenta haacutebito de crescimento endofiacutetico e altos iacutendices de danos econocircmicos Na safra 19961997 o Brasil registrou seu pior desempenho em termos de aacuterea cultivada tendo plantado nesse periacuteodo apenas 600 mil hectares (COMPANHIA 2005) A partir de entatildeo houve uma recuperaccedilatildeo gradativa da cotonicultura motivada pela conjunccedilatildeo de trecircs fatores a migraccedilatildeo da cultura para a regiatildeo Centro-Oeste a reorganizaccedilatildeo do setor ocorrida no final dos anos 90 e a melhoria da qualidade da fibra produzida

                      No entanto o cultivo sucessivo do algodatildeo em grandes aacutereas favorece o ataque de insetos-praga que incluem o bicudo do algodoeiro o curuquerecirc ( Alabama argilacea) a lagarta do cartucho do milho ( Spodoptera frugiperda) a lagarta da maccedilatilde ( Heliothis virescens) e a lagarta rosada ( Pectinophora gossypiella) que encontram nas folhas flores e bototildees florais substacircncias accedilucaradas excretadas por glacircndulas denominadas de nectaacuterios tornando dessa forma a cultura muito atrativa para os insetos-praga

                      O bicudo do algodoeiro eacute considerado uma das pragas de maior relevacircncia na cotonicultura mundial devido aos danos causados e agraves dificuldades de controle pelos meacutetodos convencionais Destacam-se tambeacutem os problemas relacionados agrave lagarta do cartucho do milho que se alimenta das folhas em seu estaacutegio larval penetrando nas maccedilatildes e nos bototildees florais o que dificulta o seu controle e compromete a qualidade e a quantidade de fibra produzida O controle quiacutemico desses insetos requer a aplicaccedilatildeo de grande quantidade de inseticida aleacutem de apresentar uma eficiecircncia relativamente baixa em decorrecircncia da dificuldade de acesso aos insetos que apresentam haacutebito endofiacutetico

                      Tendo em vista os prejuiacutezos causados pelos insetos-praga e a necessidade de preservaccedilatildeo da sauacutede humana e do meio ambiente o uso de plantas geneticamente modificadas (GM) vem se consolidando no mundo como uma promissora ferramenta nos programas de melhoramento geneacutetico vegetal A prova disso eacute que no ano de 2004 a aacuterea total cultivada com as culturas GM atingiu a marca dos 81 milhotildees de hectares crescimento significativo (47 vezes) se comparado com os 17 milhotildees de hectares plantados em 1996 (JAMES 2004) Do total da aacuterea mundial cultivada com as culturas GM 34 foram cultivados em paiacuteses em desenvolvimento A crescente adoccedilatildeo desta tecnologia eacute reflexo dos benefiacutecios diretos que incluem a melhoria substancial da produtividade proteccedilatildeo do meio ambiente fortalecimento da economia reduccedilatildeo dos riscos tanto para a sauacutede dos pequenos e grandes agricultores como para consumidores e para a sociedade em geral

                      Genes para proteiacutenas com potencial bioinseticida incluindo as toxinas Cry do Bacillus thuringiensis ( Bt) e os inibidores de enzimas hidroliacuteticas (inibidores de (-amilases - (AIs e proteinases) satildeo moleacuteculas alvos em estrateacutegias biotecnoloacutegicas aplicadas na obtenccedilatildeo de plantas GM com resistecircncia a insetos-praga (CARLINI e GROSSI-DE-SAacute 2002) Para alcanccedilar melhorias de potenciais benefiacutecios comerciais uma das alternativas eacute a utilizaccedilatildeo da estrateacutegia envolvendo a evoluccedilatildeo in vitro de moleacuteculas aplicando-se a teacutecnica de DNA Shuffling Esta teacutecnica promove a recombinaccedilatildeo in vitro do DNA e foi desenvolvida para gerar genes variantes (mutantes) que codifiquem proteiacutenas com funccedilatildeo nova ou melhorada (STEMMER ET AL 1994 ZHAO e ARNOLD 1997) Trata-se de um processo que envolve diferentes etapas a partir da digestatildeo enzimaacutetica dos genes e produccedilatildeo de pequenos fragmentos de DNA Os fragmentos satildeo hibridizados randomicamente gerando fragmentos maiores que datildeo origem a genes recombinados (mutantes) por meio da amplificaccedilatildeo por PCR (Polymerase Chain Reaction) A aplicaccedilatildeo da teacutecnica resulta em um conjunto de genes mutantes que podem ser traduzidos em novas proteiacutenas de acordo com um propoacutesito especiacutefico como por exemplo para o controle de insetos-praga de culturas de importacircncia agronocircmica Genes para moleacuteculas variantes podem ser submetidos a novos ciclos de shuffling e seleccedilatildeo a fim de gerar um maior nuacutemero de mutaccedilotildees potencializando assim a atividade da proteiacutena Embora a reuniatildeo de muacuteltiplas mutaccedilotildees de interesse em um uacutenico gene possa demandar vaacuterios ciclos de DNA shuffling este processo eacute significativamente mais raacutepido do que o processo de mutaccedilotildees e recombinaccedilotildees associados agrave seleccedilatildeo natural para a fixaccedilatildeo de uma nova caracteriacutestica de interesse que ocorre na natureza

                      OBJETIVO XE OBJETIVO

                      Construir bibliotecas de genes para variantes de proteiacutenas entomotoacutexicas utilizando as teacutecnicas de DNA shuffling e selecionar biomoleacuteculas com atividade sobre os insetos-praga do algodoeiro A grandis e S frugiperda visando sua aplicaccedilatildeo no desenvolvimento de plantas GM resistentes a estes insetos-praga

                      MATERIAL E MEacuteTODOS XE MATERIAL E MEacuteTODOS

                      1 - DNA Shuffling XE 1 DNA Shuffling

                      Na construccedilatildeo das bibliotecas de genes cry e de inibidores de (-amilases foram utilizados os genes descritos na tabela 1

                      Tabela 1 Genes utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas para obtenccedilatildeo de moleacuteculas variantes

                      O gene cry8Ha foi isolado de uma estirpe de B thuringiensis denominada S811 cuja toxina codificada apresenta atividade para o bicudo do algodoeiro (LC50 = 180 (gmL) O gene cry1Ia12 foi isolado da mesma estirpe cuja toxina Cry apresenta atividade contra A grandis (LC50 = 230 (gmL) e S frugiperda (LC50 = 5 (gmL) O gene cry3Aa foi doado pelo Bacillus Genetic Stock Center-EUA e a toxina expressa natildeo apresenta atividade significativa para nenhum dos dois insetos Os genes (-AI-1 e (AI-2 foram isolados de sementes de P vulgaris codificam para inibidores de (-amilases os quais apresentam diferentes especificidades para insetos-praga de gratildeos armazenados

                      11 - Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de α-amilases XE 11 Etapas para a construccedilatildeo das bibliotecas utilizando os genes cry e genes para inibidores de -amilases

                      Etapa 1 (Digestatildeo enzimaacutetica)

                      Genes Cry 10 (g de DNA foram dissolvidos em 80 (l de tampatildeo de DNAse I (Tris 50 mM pH 75 contendo 1 mM de MnCl2 e 01 mgmL de albumina de soro bovino) com a adiccedilatildeo de 004 unidades da enzima DNase I (Invitrogen 1245 U(L) A reaccedilatildeo ocorreu a 15oC sendo interrompida apoacutes 15 minutos com a adiccedilatildeo de 250 mM de EDTA A fragmentaccedilatildeo total do gene foi confirmada em gel de agarose 25 Os fragmentos contendo tamanhos variados foram purificados em coluna ( PCR purification Kit - QIagen) ou extraiacutedos diretamente do gel de agarose

                      Genes (-AI (-AI-1 e (AI-2 foram misturados na proporccedilatildeo de 11 resultando num um total de 10 (g A mistura liofilizada dos DNAs foi dissolvida em 80 (l de tampatildeo DNase I e digerida com 003 unidades de DNase I a 15oC por 15 minutos A interrupccedilatildeo da reaccedilatildeo e a purificaccedilatildeo dos fragmentos ocorreram como descrito para os genes cry

                      Etapa 2 (Recombinaccedilatildeo de fragmentos)

                      Foram adicionados 10 (L do produto da digestatildeo (etapa 1) a 25 l de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo da polimerase Taq Platinum Pfx 1X (Invitrogen) 04 mM de dNTPs e 01 U de Taq Platinum Pfx A reaccedilatildeo foi realizada em termociclador (Eppendorf Mastercycler gradient) programado para 42 ciclos com uma etapa inicial de 2 min a 95oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 1 min a 95 oC 1 min 42 oC 1 min + 5 sciclo a 72 oC e 7 mim de extensatildeo final a 72 oC

                      Etapa 3 (Amplificaccedilatildeo dos variantes)

                      Os fragmentos de tamanhos variados (recombinados na etapa 2) foram utilizados como molde na reaccedilatildeo de amplificaccedilatildeo Foram adicionados 15 microL do produto da reaccedilatildeo da etapa 2 para 100 microL de uma reaccedilatildeo de PCR contendo tampatildeo de Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) 1x 02 mM de cada dNTP 25 U de cada uma das enzimas Taq DNA polimerase (Invitrogen) e Platinum Taq DNA polimerase High Fidelity (Invitrogen) e 08 (M de cada oligonucleotiacutedeo especiacuteficos A reaccedilatildeo foi realizada em 24 ciclos com etapa inicial de 2 min a 95 oC Cada ciclo foi constituiacutedo de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC 45 s a 72 oC 14 ciclos adicionais de 30 s a 95 oC 30 s a 42oC e 45 s a 20 sciclo a 72 oC e 7 min a 72 oC As reaccedilotildees de recombinaccedilatildeo dos fragmentos e amplificaccedilatildeo dos genes de α-AI1 e α-AI2 variantes seguiram as mesmas condiccedilotildees empregadas para os genes cry com exceccedilatildeo da etapa de anelamento que ocorreu a 55oC As reaccedilotildees resultaram em genes variantes contendo o mesmo tamanho dos genes originais

                      2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias XE 2 - Construccedilotildees das bibliotecas combinatoacuterias

                      Os produtos da etapa 3 foram digeridos com enzima SfiI e inseridos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS (RADER et al 2001) contendo extremidades tambeacutem franqueadas em SfiI As ceacutelulas de E coli XL1-Blue foram transformadas com estas construccedilotildees e infectadas com o fago auxiliar VCSM13 (1011 pfumL) Quatro bibliotecas combinatoacuterias foram expressas na superfiacutecie de fagos segundo o procedimento descrito por Barbas et al (2001)

                      3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display) XE 3 - Seleccedilatildeo das formas ligantes a proteiacutenas especiacuteficas ( Phage display)

                      31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry XE 31 Seleccedilatildeo dos variantes de genes cry

                      A seleccedilatildeo foi realizada com base na afinidade destas toxinas por proteiacutenas (receptores) existentes nas BBMV ( Brush Border Membrane Vesicles) do intestino dos insetos As BBMVs foram extraiacutedas do intestino de A grandis e S frugiperda segundo Biber et al (1981) Utilizou-se 100 (g de BBMV para absorccedilatildeo em dois poccedilos de uma placa de microtitulaccedilatildeo a qual foi incubada durante 16 horas a 4oC e 1h a 37oC Os poccedilos sensibilizados com estas proteiacutenas foram bloqueados com o uso de BSA 3 e incubados 1h a 37oC A soluccedilatildeo de bloqueio foi descartada e o cultivo de fagos contendo formas variantes de toxina Cry na superfiacutecie foi imediatamente adicionado Apoacutes uma incubaccedilatildeo de 2 horas a 37oC os poccedilos foram submetidos a um crescente nuacutemero de lavagens usando PBS-Tween 01 para a eliminaccedilatildeo das formas inespeciacuteficas permanecendo aderidas ao alvo apenas as formas que apresentaram alta afinidade As formas variantes com afinidade pelas BBMV foram liberadas em condiccedilotildees de pH aacutecido re-amplificadas e submetidas a novos ciclos de seleccedilatildeo ateacute a ocorrecircncia do enriquecimento da biblioteca O enriquecimento de fagos especiacuteficos foi identificado pelo aumento crescente do tiacutetulo de saiacuteda apoacutes cada ciclo de seleccedilatildeo Este enriquecimento foi confirmado com o teste Fago-Elisa usando anticorpo anti-M13 (BARBAS III et al 2001)

                      32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs XE 32 Seleccedilatildeo de variantes para (AIs

                      Os genes da biblioteca combinatoacuteria de variantes para (AIs foram selecionados de acordo com a afinidade pelas (-amilases extraiacutedas do intestino das larvas do bicudo (DEL SARTO et al 2004) Dois poccedilos de uma placa de ELISA foram sensibilizados com 50 (g da enzima cujo procedimento de seleccedilatildeo ocorreu como descrito no item 31

                      4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas XE 4 Anaacutelise das sequecircncias nucleotiacutedicas

                      As sequecircncias dos novos genes para as diferentes variantes foram alinhadas com as sequecircncias dos genes originais utilizando programa ClustalW (HIGGINS et al 1994) A traduccedilatildeo das sequecircncias nucleotiacutedicas foi realizada pelo programa Translate ( httpbimasdcrtnihgovmolbiotranslate ) Os alinhamentos possibilitaram a identificaccedilatildeo de mutaccedilotildees reais e mutaccediloes silenciosas

                      5 Bioensaios XE 5 Bioensaios

                      Os genes selecionados das bibliotecas para toxinas Cry foram expressos em fagos e avaliados em bioensaios As proteiacutenas recombinantes obtidas da expressatildeo foram incorporadas na dieta artificial de A grandis segundo Praccedila et al (2003) Os bioensaios foram realizados em placas de 6 poccedilos contendo 5mL de dieta artificial esterilizada As placas foram incubadas por sete dias a 28degC com umidade entre 55-60 Apoacutes este periacuteodo de incubaccedilatildeo contou-se o nuacutemero de larvas vivas e mortas

                      Para testar a atividade das proteiacutenas expressas contra S frugiperda foram utilizadas 480 larvas segundo o protocolo descrito por Praccedila et al (2003) As larvas foram incubadas a 28degC com umidade relativa variando entre 60-80 Apoacutes dois dias de incubaccedilatildeo as larvas receberam uma nova dieta contendo a mesma formulaccedilatildeo Posteriormente as larvas foram avaliadas a fim de se determinar a taxa de mortalidade

                      No caso dos inibidores de (AIs que necessitam de glicosilaccedilotildees e clivagens proteoliacuteticas para serem ativos (PUEYO et al 1993 YOUNG et al 1999) apoacutes a seleccedilatildeo cada gene mutante foi expresso em plantas de Arabidopsis A atividade e especificidade para os insetos-praga do algodatildeo seratildeo testadas utilizando a determinaccedilatildeo de atividade inibitoacuteria in vitro e in vivo partindo do extrato proteacuteico de plantas de Arabidopsis thaliana (experimento em andamento)

                      RESULTADOS E DISCUSSAtildeO XE RESULTADOS E DISCUSSAtildeO

                      1- Biblioteca de variantes de genes cry XE 1- Biblioteca de variantes de genes cry

                      Objetivando a identificaccedilatildeo de biomoleacuteculas com atividade contra os insetos A grandis e S frugiperda a cepa S811 ( Bt -Embrapa) que apresenta elevado potencial inseticida foi utilizada para a clonagem dos dois genes denominados cry8Ha1 e cry1Ia12 O gene cry8Ha1 foi isolado pela teacutecnica de Tail-PCR (LIU e WHITTIER 1995) apresentando 60 de similaridade com as outras toxinas Cry8 presentes no banco de dados enquanto que o gene cry1Ia12 foi isolado por meio de PCR com o uso de primers especiacuteficos apresentando 99 de similaridade com as outras toxinas Cry1Ia do banco de dados (MAGALHAtildeES et al 2004ab) Ambos os genes foram expressos em sistema heteroacutelogo Escherichia coli utilizando o vetor de expressatildeo pET101-DTOPO As proteiacutenas recombinantes foram purificadas em coluna de Ni-NTA e suas atividades foram testadas em bioensaios seletivos contra as larvas dos insetos A grandis e S frugiperda segundo protocolo descrito por Praccedila et al (2003) (tabela 2)

                      O gene para a toxina Cry3Aa1 obtido no Bacillus Genetic Stock Center-EUA foi utilizado devido a sua conhecida atividade entomotoacutexica contra insetos da ordem coleoacuteptera A toxina foi avaliada contra A grandis e nenhuma atividade significativa foi observada (tabela 2)

                      Tabela 2 Atividade inseticida dos genes de Bt utilizados na construccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias

                      2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes XE 2 - Construccedilotildees de bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e seleccedilatildeo de variantes

                      Finalizada a etapa de seleccedilatildeo dos genes a serem empregados estabeleceu-se trecircs estrateacutegias a serem desenvolvidas na obtenccedilatildeo das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry sendo todas geradas pela recombinaccedilatildeo dos genes cry3Aa1 ou cry8Ha1 ou cry1Ia12 Os fragmentos gecircnicos (30-50pb) de cada uma das bibliotecas foram recombinados como descrito na etapa 2 (Materiais e Meacutetodos) gerando novas variantes que foram inseridas no fagomiacutedeo pCOMB3XSS As variantes obtidas em cada biblioteca foram da ordem de 105 a 107 mutantes como descrito na tabela 3

                      Tabela 3 Tamanho das bibliotecas combinatoacuterias de genes cry e dados da seleccedilatildeo in vitro usando proteiacutenas do intestino de A grandis (AG) e S frugiperda (SF)

                      As bibliotecas geradas foram utilizadas para selecionar genes para variantes de novas toxinas Cry variantes com atividade entomotoacutexica melhorada sobre os insetos A grandis e S frugiperda As toxinas selecionadas foram avaliadas em bioensaios contra ambos os insetos cujos resultados se encontram nas figuras 1 e 2Tendo como base a quantidade de proteiacutenas expressas pelos fagos a toxina que apresentou maior atividade foi selecionada da biblioteca para o gene cry8Ha1 que apresentou mortalidade de aproximadamente 70 (c8-M3) contra S frugiperda indicando aumento de trecircs ndash quatro vezes na atividade em comparaccedilatildeo com a toxina original (Figura 1B) O mesmo resultado foi observado para as toxinas selecionadas da biblioteca de Cry3Aa11 cujas toxinas (c3-M3 e c3-M5) apresentaram de 60 a 70 de mortalidade contra as mesmas larvas (Figura 1A) Nos bioensaios contra as larvas de A grandis os resultados alcanccedilados utilizando essa mesma biblioteca tambeacutem foram satisfatoacuterios vaacuterias toxinas variantes apresentaram mortalidade superior a 50 (Figura 2) Devido ao baixo niacutevel de expressatildeo das proteiacutenas na superfiacutecie dos fagos as taxas de mortalidade obtidas nos bioensaios podem ser consideradas resultantes de dose subletal das proteiacutenas Os bioensaios utilizando toxinas selecionadas da biblioteca cry8Ha com atividade para A grandis e toxinas selecionadas da biblioteca cry1Ia12 com atividade para ambos os insetos foram conduzidos da mesma forma e seratildeo publicados apoacutes a validaccedilatildeo estatiacutestica dos resultados

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                      Figura 1 Bioensaios seletivos realizados com larvas de S frugiperda mostrando o niacutevel de mortalidade na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1 (A) e cry8Ha1 (B)

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                      Figura 2 Bioensaios seletivos realizados com larvas de A grandis mostrando a mortalidade das larvas na presenccedila de toxinas selecionadas das bibliotecas de cry3Aa1

                      Uma vez constatado que o gene Cry3Aa11 original natildeo apresenta atividade inseticida significativa sobre as larvas de A grandis e S frugiperda os resultados obtidos indicam que a teacutecnica de DNA shuffing associada agrave metodologia de seleccedilatildeo Phage display foi bem sucedida na geraccedilatildeo de variantes e possibilitou o isolamento de novas moleacuteculas com melhor atividade entomotoacutexica Em relaccedilatildeo agrave toxina Cry8 natildeo se pocircde determinar com precisatildeo as doses letais (CL50) jaacute que os fagos expressam as toxinas em quantidades muito baixas o que impossibilita uma anaacutelise quantitativa dos dados Dessa forma o proacuteximo passo seraacute expressar os genes selecionados em um sistema de expressatildeo mais eficiente que possibilite maior niacutevel de expressatildeo para determinar com maior precisatildeo a taxa de mortalidade dos insetos

                      Outra anaacutelise importante foi com relaccedilatildeo ao tamanho e tempo de desenvolvimento das larvas obtidas nos bioensaios de S frugiperda em que as poucas larvas sobreviventes mostraram reduccedilatildeo de 97 no seu tamanho (Figura 3) quando comparadas com o desenvolvimento das larvas do controle negativo sem a presenccedila de toxinas Estes dados indicam que as variantes podem atingir um niacutevel de toxicidade letal desde que seja ajustada a dosagem de proteiacutena recombinante utilizada no bioensaio (experimento em andamento)

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                      Figura 3 (A) Peso das larvas de S frugiperda sobreviventes ao ensaio usando expressatildeo de genes selecionados da biblioteca de variantes para toxinas Cry8 (B) Efeito das proteiacutenas recombinantes no desenvolvimento de S frugiperda

                      3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de α -AI-1 e α -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes XE 3- Construccedilatildeo de bibliotecas combinatoacuterias de gene de -AI-1 e -AI-2 e seleccedilatildeo de variantes

                      Uma biblioteca de fagos que expressa formas recombinadas de inibidores de (-amilase foi construiacuteda utilizando-se os genes (AI-1 e (AI-2 Estes inibidores isolados de sementes de feijatildeo apresentam diferentes especificidades na accedilatildeo inibitoacuteria das (-amilases (GROSSI-DE-SAacute et al 1997 SILVA et al 2000) Enquanto (AI-1 inibe a (-amilase pancreaacutetica de porco e as (-amilases dos bruquiacutedeos Callosobruchus maculatus e Callosobruchus chinensis o (AI-2 inibe especificamente a (-amilase do bruquiacutedeo Zabrotes subfasciatus mas natildeo inibe a (-amilase do bicudo do algodoeiro

                      Os genes foram recombinados a fim de desenvolver e selecionar moleacuteculas com atividade sobre a enzima de A grandis Os novos genes introduzidos no fagomiacutedeo pCOMB3XSS geraram uma biblioteca combinatoacuteria com 37 x 107 transformantes Vinte e sete clones foram sequumlenciados e as anaacutelises indicaram 22 formas variantes apresentando cada uma delas diferente padratildeo de recombinaccedilatildeo Os inibidores (-AI1 e (-AI2 possuem 56 resiacuteduos de aminoaacutecidos natildeo conservados em posiccedilotildees tambeacutem identificadas nos mutantes indicando alta homologia As sequumlecircncias dos mutantes exibidos na representaccedilatildeo esquemaacutetica (Figura 4) foram na sua maioria idecircnticas as do (-AI1 poreacutem apresentam regiotildees intercaladas com sequumlecircncias do (-AI2 Anaacutelises computacionais utilizando os modelos estruturais dos (AIs variantes (estudo em andamento) propiciaratildeo um melhor entendimento sobre os efeitos das mutaccedilotildees na atividade inibitoacuteria

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                      Figura 4 Representaccedilatildeo esquemaacutetica do perfil de recombinaccedilatildeo das sequumlecircncias dos 22 mutantes obtidos da seleccedilatildeo contra (-amilase de A grandis As regiotildees em azul referem-se agraves sequumlecircncias do α-AI-1 o vermelho representa sequumlecircncias do α-AI- 2

                      As variantes previamente selecionadas foram subclonadas no vetor pCAMBIA 2300 sob o controle do promotor 35S do viacuterus do mosaico da couve-flor duplicado (CaMV35Sd) e do enhancer do viacuterus do mosaico da alfafa (AMV) Estas construccedilotildees estatildeo sendo usadas para inserccedilatildeo dos genes mutantes gerados pela tecnologia de DNA shuffling em plantas de Arabdopsis thaliana via Agrobacteirum A atividade inibitoacuteria destas moleacuteculas variantes seraacute posteriormente avaliada contra (-amilases de A grandis afim de identificar os inibidores com maior potencial de utilizaccedilatildeo em plantas de algodatildeo GM

                      CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS XE CONCLUSAcircO E PERSPECTIVAS

                      Os resultados apresentados neste trabalho reforccedilam a estrateacutegia de combinaccedilatildeo das tecnologias de DNA shuffling e Phage display para a geraccedilatildeo de uma grande quantidade de variantes e seleccedilatildeo de genes codificadores de proteiacutenas e enzimas com atividade melhorada Essas metodologias podem ser aplicadas como alternativa na busca de soluccedilotildees de problemas especiacuteficos como por exemplo aqueles relacionados aos mecanismos de accedilatildeo das moleacuteculas envolvidas no processo de resistecircncia aos insetos-praga

                      As bibliotecas combinatoacuterias aqui apresentadas permitiram a seleccedilatildeo de vaacuterios genes quimeacutericos com distinta afinidade para as (-amilases e receptores do intestino de larvas de A grandis e S frugiperda Seguindo a metodologia de evoluccedilatildeo molecular os genes variantes selecionados a partir do primeiro ciclo de DNA shuffling estatildeo sendo submetidos a novos ciclos de recombinaccedilatildeo e seleccedilatildeo

                      Os efeitos das mutaccedilotildees na estrutura-funccedilatildeo das moleacuteculas variantes selecionadas seratildeo explicados nas anaacutelises de modelos tridimensionais construiacutedos por meio de teacutecnicas de modelagem molecular utilizando as coordenadas atocircmicas de estruturas de cristal ou modeladas das moleacuteculas parentais

                      As proteiacutenas variantes que mostraram atividade toacutexica ou inibitoacuteria in vivo seratildeo extensivamente caracterizadas e consideradas no desenho de construccedilotildees gecircnicas piramidais para aplicaccedilatildeo no programa de melhoramento do algodatildeo quanto agrave resistecircncia a pragas

                      Referecircncias XE Referecircncias

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                      Magalhatildees M T Q Silva S M B Fragoso R R Oliveira-Neto O B Batista J A N Monnerat R G Grossi-de-Saacute M F Caracterizaccedilatildeo e clonagem de genes de estirpes de Bacillus thuringiensis ativas contra o bicudo-do-algodoeiro ( Anthonomus grandis) In ENCONTRO DO TALENTO ESTUDANTIL 6 2001 Brasiacutelia Anais Brasiacutelia Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia 2001 p 31

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                      B13

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                      escala 13

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                      EMBED ExcelChart8 s 13

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                      Bioacuteloga ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra ndash Doutoranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Farmacecircutico ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Enga Agra- Mestranda em Biologia Molecular ndash Universidade Federal do Rio Grande do Sul ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Quiacutemico ndash Graduando ndashUniversidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Mestrando em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash Graduando- Faculdade da Terra de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Mestranda em Ciecircncias Genocircmicas e Biotecnologia ndash Universidade Catoacutelica de Brasiacutelia - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Doutoranda em Biologia Molecular ndash Universidade de Brasiacutelia ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo Doutorando ndash Universidade Catoacutelica ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacuteloga ndash Msc em Biologia Molecular ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Bioacutelogo ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Graduanda em Biologia- FTB13

                      Enga Agra ndash Msc em Biologia Molecular - Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      Biomeacutedica ndash PhD ndash Embrapa Recursos Geneacuteticos e Biotecnologia13

                      13

                      Biblioteca

                      No variantes

                      No ciclos seleccedilatildeo

                      Enriquecimento de fagos(ciclo)

                      Clones selecionados

                      AG

                      SF

                      AG

                      SF

                      cry1Ia12

                      930 X 105

                      6

                      5

                      5

                      30

                      30

                      cry3Aa1

                      683 X 105

                      6

                      3

                      4

                      21

                      16

                      c ry8Ha

                      190 X 107

                      6

                      3

                      3

                      30

                      30

                      Proteiacutenas

                      CL50

                      A grandis

                      S frugiperda

                      Cry8Ha1

                      180 (gml

                      NA

                      Cry1Ia12

                      230 (gml

                      5 (gml

                      Cry3Aa1

                      NA

                      NA

                      Fonte

                      Origem

                      Genes

                      Referecircncias

                      Microorganismo

                      B thuringiensis (Bt)

                      cry1Ia12

                      Magalhatildees MTQ et al 2002 2004

                      cry8Ha1

                      Magalhatildees MTQ et al 2001

                      cry3Aa1

                      Bacillus Genetic Stock Center-EUA

                      Vegetal

                      P vulgaris (Feijatildeo comum)

                      α-AI1e α-AI2

                      Ishimoto et al 1996 Grossi-de-Saacute et al 1997

Page 23: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

Graacutef4

PESO (g X 10-2)
6388
14175
483666
024333
018
84225

Plan1

Plan1

PESO (g X 10-2)

Plan2

MORTALIDADE ()
TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda (020905)
20
3333
50
1666
1666
1666
1666
0
0
0
1666
0
40
20
0
1666
50

Plan3

PESO POR LAGARTA (g)
TRATAMENTOS
PESO (g)
PESO POR LAGARTA DE Spodoptera frugiperda
TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda
MORTALIDADE ()
TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda
PESO (g X 10-2)
6388
14175
483666
024333
018
84225

_1198325042unknown

_1190810321xls

Graacutef1

1666
1666
28
45
666
333
60
333

Plan1

Plan1

MORTALIDADE ()
1666
1666
28
45
666
333
60
333

Plan2

Plan3

_1190811124xls

Graacutef3

17
47
37
57
23
50
60
53
43
57

Plan1

Plan1

Mortalidade ()

Plan2

Mortalidade ()

Plan3

_1190810320xls

Graacutef8

0
20
1666
3332
6666
50
20
1666
3332
40

Plan1

Plan1

Mortalidade ()

Plan2

Mortalidade ()

Plan3

H2O 2083
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S-53 5416
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c (-) 0
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H2O 2083
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c3-M8 31 31
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c (-)
cry3
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c3-M3
c3-M4
c3-M5
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S-17
S-18
S-19
S-20
S-21
S-22
S-23
S-24
S-25
S-26
S-27
S-28
S-29
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TRATAMENTOS PESO POR LAGARTA (g)
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TRATAMENTOS MORTALIDADE () DESVIO PADRAtildeO ()
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CRY8 Selvagem 20 343
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S-02 0 0
S-03 1666 48
S-04 1666 47
S-05 0 0
S-06 3332 53
S-07 50 32
S-08 50 37
S-09 6666 5
S-10 0 0
S-11 1666 55
S-12 0 0
S-13 1666 32
S-14 3332 46
S-15 1666 31
S-16 3333 35
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c8-M1
c8-M2
c8-M3
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c8-M5
Page 24: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

Plan1

Plan1

PESO (g X 10-2)

Plan2

MORTALIDADE ()
TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda (020905)
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1666
1666
1666
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1666
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20
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1666
50

Plan3

PESO POR LAGARTA (g)
TRATAMENTOS
PESO (g)
PESO POR LAGARTA DE Spodoptera frugiperda
TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda
MORTALIDADE ()
TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda
PESO (g X 10-2)
6388
14175
483666
024333
018
84225

_1198325042unknown

_1190810321xls

Graacutef1

1666
1666
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333

Plan1

Plan1

MORTALIDADE ()
1666
1666
28
45
666
333
60
333

Plan2

Plan3

_1190811124xls

Graacutef3

17
47
37
57
23
50
60
53
43
57

Plan1

Plan1

Mortalidade ()

Plan2

Mortalidade ()

Plan3

_1190810320xls

Graacutef8

0
20
1666
3332
6666
50
20
1666
3332
40

Plan1

Plan1

Mortalidade ()

Plan2

Mortalidade ()

Plan3

H2O 2083
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H2O 2083
pCOMB(cont-) 1666
CRY-3 Selvagem 1666
S-28 4166
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cry3 17 39
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cry8 20
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c8-M8 3332
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c (-)
cry3
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c (-) 1666
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c3-M2 45
c3-M3 666
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c3-M5 60
c3-M6 333
c (-) 28
cry3 46
c3-M1 38
c3-M2 51
c3-M3 33
c3-M4 36
c3-M5 41
c3-M6 42
c (-) 28 28
cry3 46 46
c3-M1 38 38
c3-M2 51 51
c3-M3 33 33
c3-M4 36 36
c3-M5 41 41
c3-M6 42 42
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Plan1

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Page 26: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

Plan2

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S-29
S-30
S-09
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Plan3

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Plan3

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TRATAMENTOS
MORTALIDADE ()
BIOENSAIO DOS CLONES CRY8 SHUFFLED CONTRA Spodoptera frugiperda
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Plan3

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Plan1

Plan1

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Plan2

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Plan1

MORTALIDADE ()
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1666
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Plan2

Plan3

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Plan2

Plan3

_1190811124xls

Graacutef3

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Plan1

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Plan3

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Plan3

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Plan1

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Plan2

Mortalidade ()

Plan3

H2O 2083
c(-) 1666
CRY-3 Selvagem 1666
S-28 4166
S-53 5416
Page 48: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe

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c(-) 1666
CRY-3 Selvagem 1666
S-28 4166
S-53 5416
Page 49: Boletim de Pesquisa 99 e Desenvolvimento ISSN 1676 - 1340 … · The cotton boll weevil (Anthonomus grandis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda) are insects that cause severe