Aula Teórica - Prof Eugenio File

Fisiologia de Insetos:
Aplicações na agricultura, na biomedicina
e no desenvolvimento de robôs
Prof. Eugenio E. Oliveira
Prédio da Entomologia, Sala 309
Fone: 3899 4005, email: [email protected]
Questionamentos
Insetos nos causam algum benefício ou malefício?
Insetos possuem sistema de defesas?
Por que é tão difícil matar uma barata?
Existem insetos do tamanho de um elefante?
FISIOLOGIA RESPONDE
Sumário
I. Implicações na Agricultura
conceitos
desenvolvimento de moléculas inseticídicas
desenvolvimento de plantas transgênicas
II. Implicações na biomedicina
mel e derivados
venenos
substâncias de defesa
sistema imune
III. Implicações no desenvolvimento de robôs
desenvolvimento de robôs
física e fisiologia (conceitos)
exploração de outros planetas
Insetos como animais-modelo
Robôtica, Astronomia e Mecânica
1995
Agricultura, ciências dos
alimentos e meio ambiente
1970
Exatas
Artigos
1970
Medicina e afins
1962
0
1000
2000
3000
Implicações na Agricultura
I-Implicações na agricultura
Fisiologia da percepção e da emissão de estímulos
Todo inseto tem que morrer? Como matar os maléficos?
I-Implicações na agricultura
• Metas e objetivos
• Planejamento
• Histórico da área
• Químico
• Biológico aplicado
• Comportamental
• Cultural
• Resistência de plantas
• Biológico natural
• Etc...
• Identificação das pragas
• Identificação dos
inimigos naturais
• Fenologia da cultura
• Clima
Estratégias de
manejo
Avaliação do
agroecossistema
Táticas de
controle
Sistema de
tomada de
decisão
• Amostragem
• Índices de tomada de
decisão
I-Implicações na agricultura
Desenvolvimento de moléculas inseticidas
I-Implicações na agricultura
1. Desenvolvimento de um pesticida
50.000
500
50
Substâncias são sintetizadas a cada ano
São selecionadas como possíveis candidatas
Vão para ensaios de campo
2
São apresentadas para registro
1
Vai para o mercado
Tempo: 10 - 12 anos
Custo: 200 a 250 milhões de dólares
I-Implicações na agricultura
2. Como eliminar insetos?
Potenciais vias fisiológicas dos inseticidas no inseto
Integumento
Ligação ou estocagem
em tecidos
indiferenciadas
Penetração
Inseticida
externo
Conteúdo
ligado no fluido
circulatório
Conteúdo livre
no fluido
circulatório
Tecidos
metabólicos
Lipoproteínas e outras
Barreiras à penetração
Excreção
Sítio de
ação
Composto Original
Metabólitos
I-Implicações na agricultura
3. Mecanismos de Ação de Inseticidas
Seletividade a organismos não alvos
I-Implicações na agricultura
Exemplo de seletividade:
DL50
1200
>5000
(mg/Kg)
a DOSE determina o VENENO (Paracelcius 1508)
I-Implicações na agricultura
4. Como manter a eficiência dos inseticidas
S
WHY SPRAYS DON’T WORK?
Modified from Frishman and Schwartz (1980)
I-Implicações na agricultura
Mecanismos de resistência a inseticidas
Sequestro em estruturas
insensíveis ou quimicamente
inertes
Mecanismos
Fisiológicos
Mecanismos
Comportamentais
Mecanismos
Bioquímicos
Aumento de
destoxificação
metabólica
Redução da
penetração
Redução da
sensibilidade
do sítio de ação
I-Implicações na agricultura
Desenvolvimento de plantas transgênicas
I-Implicações na agricultura
Plantas transgênicas: controle de insetos pragas
Patógenos como fonte de ferramentas para matar insetos
Insetos como fonte de ferramentas para matar Patógenos?
I-Implicações na agricultura
Plantas transgênicas: controle de fitopatógenos
cecropinas e atacinas
peptídeos encontrados inicialmente em Hyalophora cecropia
Videiras expressando cecropinas para controle de Xylella fastidiosa
I-Implicações na agricultura
Plantas transgênicas: controle de fitopatógenos
cecropinas e atacinas
peptídeos encontrados inicialmente em Hyalophora cecropia
Macieiras expressando attacinas para controle de
“fire blight” (Erwinia amylovora)
Bollar et al.1999.Phytopathology 90:72-77
Implicações na Biomedicina
II-Implicações na biomedicina
II-Implicações na biomedicina
• Mel e derivados
– Produção mundial estimada em US$ 1.7 bilhões
– Mel: morte de bactérias resistentes a antibióticos
(Staphylococus aureus)
– Geleia real: estimulante de crescimento de neuritos
– Mel e geleia real: Tratamento de queimaduras e ferimentos a partir da
liberação de citoquinonas TNF-a de macrófagos/monócitos. Ações da
proteina Apalbumina (principal componente da geléia). Rejuvenescimento
facial
– Própolis: morte de células cancerígenas de pâncreas
Ratcliff et al. 2011
II-Implicações na biomedicina
• Venenos de insetos (abelhas)
Cocktails contendo peptídeos, enzimas,
neurotoxinas, lipídeos e aminas com excelentes
propriedades farmacêuticas
– Melitina:
• alergênico presente no veneno de abelhas,
responsável pela dor, inflamação e
hipersensibilidade.
• Controle de leucemia, câncer de próstata, de
ovário, de mama, e etc.
• Ativa fluxos de Ca++ para o interior da célula
causando morte celular
• Também possui atividade anti-baceriana,
antifúngica (novos usos)
• Outros compostos: quininas (vespas,
peptídeos nociceptivos mais potentes que
morfina), solenopsinas (de formigas, antiangiogênesis)
Melanoma em rato
II-Implicações na biomedicina
• Substâncias de defesa:
• Cantaridinas: produzidas por coleópteros “blister beetles”Terpenóides tóxicos capazes de causar queimaduras
Paederus irritans
Queimadura causada pelo potó
Pederina
II-Implicações na biomedicina
- Medicina chinesa tradicional:
• Macerados de Lytta vesicatoria (Coleoptera) era recomendado
como afrodisíaco (“Spanish fly” ), alta *cantaridina+
- Medicina moderna:
• Controle de diversos tipos de câncer (leucemia, câncer coloretal,
de ovário, de mama, melanomas e etc.)
• Previne o desenvolvimento de células cancerígenas e induzem a
apoptoses das mesmas
• Apresenta relativa toxicidade para o sistema urinário de
mamíferos, porém menos tóxico para medula óssea.
• Necessita de formas eficientes de carreadores
II-Implicações na biomedicina
• Presente nupcial: Ovos quimicamente protegidos
• Cantaridina
Neopyrochroa flabellata
II-Implicações na biomedicina
• Utilização de larva-terapia
- larvas secretam substâncias que possibilitam reparos
teciduais
- larvas alimentam-se de tecidos necróticos
- larvas alimentam-se de patógenos e elimina-os
- larvas secretam peptídeos anti-patógenos
II-Implicações na biomedicina
• Sistema imune dos insetos como fonte de novos fármacos
• Sucesso de ocupação em diversos nichos repletos de agentes microbianos
• Peptídeos antibacterianos
II-Implicações na biomedicina
Sistema imune dos insetos como fonte de novos fármacos
II-Implicações na biomedicina
• Peptídeos antibacterianos
• Capazes de eliminar bactérias resistente a antibióticos
• Testes clínicos ainda não deslancharam
• Custos elevados (800 milhões de dólares em 10-12 anos)
• Toxicidade (melhores carreadores) e instabilidade (bioengenharia)
Invertebrados
Mecanismo
Resposta celular
Resposta
humoral
Humanos
(Vertebrados)
Insetos
(Invertebrados)
Leucócitos (sangue)
Hemócitos
(Hemolinfa)
Fígado-fagócitos
(citocininas no
sangue)
Tecido adiposo
(peptídeos na
hemolinfa)
Células cristal: melanização
II-Implicações na biomedicina
• Insetos como animais-modelo em farmacologia
Pharmacological Reviews 63:411-426, 2011
Vantagens:
•
̴75% dos genes causadores de doenças em
humanos tem ortólogos em Drosophila
•
Utilização de engenharia genética
•
Regulação menos complicada (painless)
•
Baixos custos de manutenção
•
Menor tempo de geração (12 dias)
•
Utilização tanto em prospecções iniciais de
substâncias como em validação in vivo de
compostos com atividades já identificadas
Implicações no
Desenvolvimento de robôs
Implicações no desenvolvimento de robôs
Seria possível insetos gigantes?
NÃO
Implicações no desenvolvimento de robôs
Limitações
Sistema respiratório: via tracheas
Sistema circulatório aberto: ausência de “coração”
Exoesqueleto: quantidade de material necessário para mudas
Maiores sensibilidades a força gravitacional: Peso do exoesqueleto
Implicações no desenvolvimento de robôs
Já existiu insetos do tamanho de um elefante?


Possivelmente não, mas eles já foram maiores que os atuais. Como?
Quantidade de O2 (35%)
Implicações no desenvolvimento de robôs
Qual a razão para se criar robôs baseando-se na
fisiologia de insetos?
Coleoptera: 350.000
Diptera: 120.000
Lepidoptera: 150.000
Hymenoptera: 125.000
> 925.000 insetos
Implicações no desenvolvimento de robôs
Gafanhotos
longas distâncias (monitoramento de vastas áreas)
Libelulas
Abelhas
Halterofilista (construção civil)
predadores
(precisao e agilidade de
movimentos)
Implicações no desenvolvimento de robôs
Büschges et al. 2011. Current Biology 21: 513-524
Implicações no desenvolvimento de robôs
locomoção
Implicações no desenvolvimento de robôs
Exemplos de robôs (simples redes para diferentes tarefas)
Implicações no desenvolvimento de robôs
Perspectivas: Robótica espacial
Cobertura de superfície (vôo)
Integração de sistemas durante o vôo
Alçar vôo e aterrisagem
Tamanho
Implicações no desenvolvimento de robôs
Implicações no desenvolvimento de robôs
Entomopter
Implicações no desenvolvimento de robôs
Perspectivas: Robótica espacial
Acta Astronautica, 68:1790-1799, 2011
“Swarm intelligence”: Inspirados em Apis mellifera
Características : Tomada de decisões e cooperação
Outras possibilidades
Outras possibilidades de utilização
Memória e Aprendizagem
Casos policiais e Segurança pública
Condicionamento pareado
Substância não condicionante: Sacarose
Substância condicionante: Odor
Outras possibilidades de utilização
Memória e Aprendizagem
Casos policiais e Segurança pública
Treinamento
3 meses
10 minutos
Custos
U$ 5,000-10,000
Precisão
Abelha: 98%
Cães: 71%
Sustentabilidade
Outras possibilidades de utilização
Memória e Aprendizagem: Casos policiais e Segurança
pública
Obrigado pela sua atenção