Aproveitamento das respostas das proteínas de choque térmico: não se trata apenas de estresse térmico

“Proteínas de choque térmico (PCT; também conhecido por seu acrônimo HSP, do inglês heat shock protein) são essenciais para a homeostase celular e, portanto, para a saúde dos animais. Apesar do nome, as Hsps são essenciais para a resposta dos animais a uma ampla gama de estressores além do calor, incluindo patógenos, estresse nutricional e até mesmo exercícios. Usando extrato de cacto, podemos modular a resposta das Hsps, fortalecer a resistência a doenças e aumentar a produtividade das aves.”

As proteínas de choque térmico e sua descoberta

O conceito de moléculas biológicas relacionadas às respostas genéticas a estresses térmicos foi demonstrado pela primeira vez no início da década de 1960 por Ritossa em Drosophila busckii. Em 1962, ele observou que choques de temperatura induziam mudanças tanto nas atividades metabólicas quanto nos padrões de puffing dos cromossomos das glândulas salivares das larvas de Drosophila (Ritossa, 1962). Os puffs indicavam que os genes estavam sendo ativados naquela região do genoma e as proteínas codificadas eram sintetizadas. Ritossa identificou ainda o padrão de puffing em resposta a outros estressores, como endotoxinas e hipóxia. Trabalhos posteriores de outros pesquisadores identificaram o principal grupo de proteínas correspondentes aos puffs individuais, chamando-os de "proteínas de choque térmico" (Hsps). Posteriormente, foi demonstrado que as Hsps, em particular membros das famílias Hsp60 e Hsp70, eram excepcionalmente bem conservadas entre os organismos. Por exemplo, a Hsp70 em humanos é 99% idêntica à do camundongo (Mus muscularis), 74% idêntica à de D. melanogaster e 44% idêntica à de Escherichia coli (Desai et al., 2010).

Classificação das Hsps

Atualmente, as Hsps são classificadas com base em suas massas moleculares nos seguintes grupos principais: família de pequenas proteínas de choque térmico (sHsps) (massas moleculares de 10-30 kDa); família Hsp40 (40 kDa); Hsp60 (ou chaperoninas) (massa molecular próxima de 60 kDa); família Hsp70 (70 kDa); família Hsp90 (83-90 kDa); e família Hsp100/110 (≥ 100 kDa). Cada família também pode incluir homólogos com funções semelhantes ou ligeiramente diferentes, que podem diferir significativamente em massas moleculares (até 10 kDa). Além disso, as Hsps também podem ser classificadas com base em padrões de expressão, constitutivas cognatas (Hsc) ou induzíveis (Hsp). Hsc compartilham 50-80% de homologia com seus homólogos Hsp, mas são silenciosos ou desempenham uma função de manutenção da casa. Por outro lado, as Hsps são sintetizadas em níveis muito baixos na célula sob condições normais, mas, quando expostas a um estressor, a indução da síntese de Hsp aumenta centenas de vezes.

Função das Hsps

O que são esses grupos altamente conservados de proteínas e o que eles fazem? Tipicamente, quando as Hsps são mencionadas no mesmo momento que animais de criação, muitas vezes se assume que o estresse térmico é o tópico em discussão. Isso é lamentável, pois as Hsps estão envolvidas em muito mais do que apenas o estresse térmico; elas são essenciais para a homeostase celular.

As Hsps atuam como chaperonas moleculares com um papel na secreção de proteínas e manutenção das estruturas proteicas celulares, por exemplo, refazendo proteínas que desnaturam devido ao estresse celular, ajudando a prevenir a apoptose celular e contribuindo para a sobrevivência celular. As Hsps são reguladas positivamente em resposta a numerosos estressores, incluindo deficiência nutricional, toxinas, radiação UV, patógenos, danos microbianos ou, de fato, qualquer estresse celular. Quando a célula está sob estresse, há regulação positiva das Hscs para produzir HSPs recém-formadas, que podem ser detectadas na célula em concentrações significativamente maiores do que as chaperonas constitutivas. As Hsps atuam como uma rede interconectada de sinais celulares, uma cascata de Hscs e Hsps impulsionando respostas celulares. Por exemplo, numerosas Hsps estão envolvidas na resposta imune inata e adaptativa (por exemplo, Hsp60, Hsp70 e Hsp90); uma resposta que também é dependente da regulação de Hsps (por exemplo, Hsp70) do estresse oxidativo via via Nrf2-Keap1. Crucialmente, as Hsps também foram observadas com uma função imunológica protetora, por exemplo, restaurando a tolerância em doenças autoimunes, em parte devido à sua regulação durante o estresse inflamatório (Van Eden et al., 2017). A disfunção das HSPs está relacionada a muitas doenças, incluindo cânceres, neurodegeneração e outras doenças.

Leia o artigo original em inglês

Aproveitando o poder das Hsps usando extratos de plantas

Como discutido anteriormente, as Hsps não estão restritas a organismos superiores. Na verdade, as Hsps também são encontradas em plantas, e um bom exemplo é o nopal ou a pêra espinhosa do cacto (Opuntia ficus indica) e seus frutos (Figura 1). O. ficus tende a ser encontrado em regiões áridas e semiáridas e é rico em fitoesteróis, flavonoides e fitóis, e em muitas culturas foi uma fonte de alimento, bebida e medicina por séculos. Importante ressaltar que o ambiente onde O. ficus é encontrado pode ser exposto a extremos de temperatura. Foi observado que O. ficus produz rapidamente altos níveis de Hsps (incluindo 71-75 kDa e 62 kDa) quando exposto a temperaturas extremas (Somers et al., 1991). Recentemente, o potencial do extrato de cacto O. ficus (CE) para estimular Hsps em linhagens celulares e subsequentemente em espécies aquáticas e terrestres foi explorado com resultados interessantes. Utilizando práticas sustentáveis, os frutos de O. ficus são colhidos, o suco do cacto é extraído, concentrado e combinado com um transportador inovador para aumentar a biodisponibilidade para uso na produção animal (como o produto Opuntech, Nutri Biotech Services, Malta).

Quando o extrato de cacto (CE) foi aplicado em Artemia, a Hsp70 foi expressa dentro de 1 hora da aplicação e proporcionou proteção contra estressores abióticos, além de aumentar a resistência à infecção por doenças (Baruah et al., 2012; 2014). Em cavalos, o exercício mostrou aumentar a produção de Hsp72 após 120 minutos. No entanto, quando os cavalos foram alimentados com CE antes do exercício, a Hsp72 aumentou significativamente dentro de 30 minutos do início do exercício (Martinod et al., 2007). Em cavalos em exercício, a expressão do mRNA de Hsp72 nos músculos esqueléticos foi positivamente correlacionada com a concentração máxima de lactato no sangue, indicando o papel da Hsp72 na resistência ao exercício e o potencial do CE para melhorar a resistência ao estresse físico. Esses dois extremos de espécies aquáticas e terrestres sugerem que a natureza conservada das Hsps pode se estender à estimulação de uma resposta protetora em muitas outras espécies. Além disso, uma resposta celular protetora também poderia levar a um crescimento melhorado, especialmente em espécies de animais de criação, uma vez que menos energia poderia ser desviada para montar respostas imunes e o impacto de doenças poderia talvez ser mitigado.

Figura 1. Frutos da pêra espinhosa do cacto (Opuntia ficus indica)

Aplicação de CE em aves

Assim como na Artemia, a aplicação de CE em pintinhos de um dia por meio de spray leva a um grande aumento nas Hsps (Hsp72) após 1 hora (Figura 2). Além disso, o Hsp72 permanece elevado por pelo menos 24 horas (Parker et al., 2014).

Figura 2. Níveis séricos de Hsp72 (via ELISA) em pintinhos de um dia ao nascer, 1 hora e 24 horas após a aplicação de CE.

Para explorar os potenciais benefícios de desempenho do CE em frangos de corte, foram realizados testes no Brasil ao longo de meses consecutivos em várias fazendas diferentes. Os aviários eram naturalmente ventilados, a cama era composta por serragem de madeira e as aves eram alimentadas com uma ração de milho e soja com um programa anticoccidiano de nicarbazina/salinomicina. Durante 3 períodos de teste, as aves que receberam CE no primeiro dia de vida via spray foram comparadas à média de produção (Controle). O CE foi administrado em adição ao programa padrão, sem outras mudanças (nem na alimentação nem no manejo para implementar economias de custo, por exemplo). Diferentes fazendas foram selecionadas a cada vez para a aplicação do CE. Em todos os testes, as aves que receberam CE no primeiro dia de vida via spray foram, em média, 6,3% mais pesadas, tiveram 1% menos mortalidade e melhor conversão alimentar (FCR), com uma melhoria associada de 9% no EPEF (Tabela 1).

Tabela 1. Desempenho em campo (média) de aves pulverizadas com extrato de cacto no primeiro dia de vida versus resto da produção

Ensaios adicionais, nos quais apenas a fase inicial de produção foi acompanhada (112.000 aves), mostraram que a administração de CE levou a uma mortalidade 21% e 24% menor aos 7 e 14 dias, respectivamente, e um peso vivo 5% e 8% maior nos mesmos períodos. Um fator chave na adoção de qualquer aditivo (alimentação ou água) na produção de animais é o retorno sobre o investimento; o produtor pode obter lucro ao aplicar o aditivo? O uso de CE teve um ROI médio de 2 quando aplicado a mais de 120.000 aves ao longo de 3 ciclos de produção, incluindo cultivos de CE que romperam com bronquite infecciosa. Esse benefício financeiro do uso de CE é atribuído principalmente à melhor viabilidade e ao peso corporal adicional, especialmente notável quando 10.000 aves foram criadas em temperaturas > 33ºC e ainda assim alcançaram uma FCR 6 pontos mais baixa, 100g de peso vivo adicional e 1,5% de viabilidade mais alta.

Resumo

As proteínas do choque térmico (Hsps) são reconhecidas por sua importância na homeostase celular e na proteção das células contra estressores. Devido à natureza conservada das Hsps em diferentes classes taxonômicas, a estimulação dessas proteínas por meio de um extrato vegetal, como o extrato de cacto (CE), pode induzir respostas protetoras semelhantes em animais diversos. Podemos potencialmente aumentar a resistência de cavalos em exercício, a sobrevivência de espécies aquáticas e melhorar o desempenho de espécies de pecuária.

Para os produtores de aves, o uso do extrato de cacto apresentado como Opuntech pode ser revolucionário. Uma única aplicação em pintinhos recém-nascidos pode melhorar a viabilidade e o peso inicial, resultando em aves mais saudáveis e eficientes, com potencial para reduzir o uso de medicamentos, mesmo na ausência de estresse térmico. As Hsps desempenham várias funções essenciais e protetoras nas aves; estamos apenas dando uma ajuda à natureza!