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Nutrigenômica alimentação animal

Nutrigenômica: situação e perspectivas na alimentação animal

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Sumário

Resumo:

O objetivo desta revisão é relatar a situação de estudos em nutrigenômica em sistemas de produção animal discutindo perspectivas quanto à utilização prática das interações entre nutrição e genótipo e os benefícios produtivos relacionados. A importância da nutrição para a saúde e sua influência na ocorrência de doenças já é comprovada cientificamente por instituições de pesquisa. A conversão metabólica de componentes da dieta atua como um mecanismo de controle para a expressão genética. Desta forma, estudos em nutrigenômica têm despertado o interesse de cientistas, buscando entender a maneira como a alimentação regula a expressão de genes. O conhecimento de que a interação dieta-genoma possa contribuir para resolução de doenças crônicas ainda é discutido mundialmente, e o mecanismo de atuação de componentes dietéticos em nível molecular, ainda não foi evidenciado. Em sistemas intensivos de produção animal, esta área de estudos contribuirá para um melhor aproveitamento dos ingredientes das rações os quais representam um percentual considerável nos custos de produção. A necessidade em fornecer ingredientes naturais e biodisponíveis em dietas para animais, motiva a pesquisa em nutrição e alimentação animal para o conhecimento de como determinados nutrientes irão atuar nos sistemas orgânicos e, conseqüentemente, melhorar o desempenho zootécnico e padrão sanitário dos efectivos animais. De acordo com o que foi descrito, o artigo de revisão abordará a aplicação desta ciência em sistemas de produção animal bem como os estudos já desenvolvidos nesta área.

Introdução

Em sistemas de produção animal que visam obter alimentos para consumo humano, a maior parte dos custos, independente da espécie animal a ser explorada, concentra-se nas despesas com a alimentação dos rebanhos. Estima-se que tal despesa represente de 70 a 80% do total de recursos despendidos em um sistema de produção animal intensivo. A precisão na determinação dos ingredientes ideais que irão favorecer índices zootécnicos de interesse pode ser a solução para reduzir esse custo com alimentação (Berchielli et al., 2006).
Um adequado consumo de macro e micronutrientes que considere a idade, a constituição genética e o metabolismo de cada indivíduo, permite uma melhoria na saúde e na eficiência produtiva a um baixo custo em relação a outros procedimentos (Ames, 2004). A importância da interação entre nutrição e saúde é evidente em um sistema de produção animal, ainda que fatores ligados a ambiente e manejo também influenciem o desempenho produtivo do indivíduo e do rebanho por conseqüência. Nesse contexto, alguns alimentos poderão apresentar-se como componentes bioativos na proteção do organismo contra enfermidades que possam acometer os rebanhos (Afman e Muller, 2006; Ferguson, 2006), sendo que alguns elementos como, selênio, vitamina E, ácido ascórbico e carotenos, por exemplo, já foram identificados como agentes protetores. Com o desenvolvimento de métodos bioquímicos e de técnicas de biologia molecular, a elucidação dos mecanismos químicos de ação de constituintes da dieta, assim como seus efeitos subseqüentes em mecanismos homeostáticos relacionados à condição de saúde ou doença, está avançando de forma rápida e gradual. O mapeamento do genoma humano e ensaios realizados em modelos biológicos também possibilitaram a condução de estudos e a identificação de genes responsáveis por reações específicas ligadas a mudanças dietéticas em indivíduos susceptíveis a determinadas enfermidades. Ainda que parte da informação sobre os genes que constituem o código genético, suas respectivas localizações no cromossoma, estrutura e função tenham sido identificadas, ainda serão necessários estudos sobre a forma orquestrada em que os genes atuam no metabolismo (Marti et al., 2005). Essas interações são estudadas pela genômica da nutrição, ciência conhecida como nutrigenômica. O termo faz referência ao modo como certos nutrientes interagem com os genes de um sistema orgânico em particular, favorecendo a síntese de proteínas de forma benéfica ao indivíduo. Atualmente, muitas publicações na área de nutrição e saúde humana têm utilizado conceitos de nutrigenômica para estudar a prevenção e, em menor potencial, o tratamento de doenças multifatoriais (Sedová e Seda, 2004; Ferguson, 2006; Trujillo et al., 2006). Assim, trata-se de uma área da ciência em expansão e que ainda necessita de muitos estudos para que ações sejam adotadas a fim de maximizar os benefícios do melhor entendimento das interações gene-nutrientes. Ainda são escassos na bibliografia mundial, estudos ou revisões que procurem informar técnicos e pesquisadores dedicados as áreas de ciências biológicas e agrárias sobre os conceitos e aplicações da nutrigenômica em sistemas de produção animal.O objetivo desta revisão é relatar a atual situação de estudos de nutrigenômica bem como discutir perspectivas do conhecimento e entendimento das interações entre nutrição e genótipo para a saúde animal e, conseqüentemente, os benefícios produtivos relacionados.

Nutrigenômica: estado da arte.

A combinação de dados através de projetos para mapeamento do genoma das espécies, e a disponibilidade de ferramentas de alta tecnologia para a investigação da expressão gênica, permitem o esclarecimento sobre a complexa interação entre nutrição e genoma a qual afeta diretamente a função celular. Embora a nutrigenômica seja uma ciência recentemente descoberta, o conhecimento de que componentes dos alimentos afetam a expressão de determinados genes e, por conseqüência, a expressão fenotípica, já esta claramente evidenciada (Bergmann et al., 2006). As informações obtidas a partir de estudos de nutrigenômica poderão orientar para a elaboração de uma dieta mais específica considerando a condição de saúde dos animais e a composição nutricional dos alimentos, o que poderá proporcionar melhores respostas metabólicas e, conseqüentemente, de produção. Esta nova ciência permitirá a prevenção de doenças importantes em humanos como obesidade, hipertensão e diabetes, bem como otimizar as terapias para estas enfermidades. Em animais também poderão ser prevenidas enfermidades prevalentes, em especial àquelas ligadas a condição nutricional do indivíduo (Sedová e Seda, 2004), como é o caso da cetose, por exemplo, uma enfermidade de etiologia metabólica a qual acomete principalmente rebanhos leiteiros com condição corporal acima do preconizado no momento do parto (Ingvartsen, 2006). Desta maneira, poderão ser prevenidas doenças de origem metabólica em função de uma correta nutrição dos rebanhos (Goodacre, 2007), através do mapeamento de genes relacionados a expressão de determinadas características da espécie, sexo, padrão racial, genético e que potencialmente sejam suprimidos por componentes funcionais das dietas. Em aves domésticas, já foram descritas várias diferenças no pareamento de bases (2,8 milhões) entre linhagens (International Chicken Polymorphism Map Consortium, 2004), evidenciando a ampla diversidade genética em uma mesma espécie e, até mesmo, em um mesmo gênero. A utilização das ferramentas para a pesquisa em nutrigenômica permitirá estudar os mecanismo de nutrientes ou alimentos bioativos sobre a expressão (transcrição e tradução) e sobre o metabolismo de genes, especialmente sobre o mecanismo molecular e requerimento de nutrientes (Jiang et al., 2004; Trujillo et al., 2006), bem como sobre a forma em que alimentos bioativos podem interagir entre si. Neste contexto a nutrigenômica apresenta algumas premissas básicas (Trujillo et al., 2006):

- a dieta e os componentes dietéticos podem alterar o risco de desenvolvimento de doenças, modulando os processos múltiplos envolvidos com o início, a incidência, a progressão e/ou severidade;

- os componentes do alimento podem agir no genoma, direta ou indiretamente, alterando a expressão dos genes e dos produtos destes;

- a dieta pode potencialmente compensar ou acentuar efeitos de polimorfismos genéticos;

- as conseqüências de uma dieta são dependentes do estado da saúde ou da doença e da genética de cada indivíduo;

- intervenções na dieta baseadas fundamentalmente no conhecimento das necessidades nutricionais e no genótipo, podem ser utilizadas para o desenvolvimento de planos nutricionais individualizados que otimizem a saúde e previnam ou minimizem os efeitos das doenças crônicas.

A possibilidade de adequar a alimentação às características do código genético de cada indivíduo, a fim terísticas do código genético de cada indivíduo, a fim de prevenir o desenvolvimento de certa enfermidade identificada geneticamente, tem estimulado pesquisadores de todo o mundo a aprofundar conhecimentos nesse segmento de pesquisa. Em estudos de laboratório, pesquisadores já verificaram que a lunasina encontrada na soja, influencia 123 genes envolvidos no surgimento do câncer de próstata auxiliando a interrupção no crescimento do tumor. Também foi evidenciado que o brócolis estimula a ação de genes envolvidos na produção de antioxidantes que atuam mantendo as artérias saudáveis (Moraes e Colla, 2006). Assim como a soja e o brócolis apresentam efeitos benéficos para saúde humana, atuando como coadjuvantes na prevenção de doenças, outros alimentos poderão igualmente atuar como suportes em tratamentos de doenças crônicas em animais de produção, uma vez que sejam estudadas e evidenciadas suas propriedades terapêuticas. Alguns alimentos têm sido estudados a fim de elucidar seus princípios ativos, entretanto, informações concretas de como estes componentes nutricionais atuam no processo de síntese de aminoácidos e proteínas, em nível de
código genético, e a maneira como serão aplicadas, ainda não são totalmente esclarecidas.
Na área de clínica veterinária, alguns marcadores biológicos têm sido utilizados como ferramentas para diagnóstico definitivo de alguma doença ou, até mesmo, como medida de profilaxia. Um exemplo, é a utilização de biomarcadores para a detecção de exposição à aflatoxinas (Lino et al., 2007), as quais inibem a síntese proteica e do DNA, promovem stress oxidativo, induzem a fragmentação do DNA e interrompem o ciclo celular (Lino et al., 2004). Nos estudos em nutrigenômica, utilizam-se técnicas como o microarranjo para analisar as adaptações metabólicas que são induzidas pelas variações da nutrição (Bauer et al., 2004). O microarranjo (gen chip) é uma técnica experimental da biologia molecular que busca medir os níveis de expressão de transcritos em larga escala, isto é, medindo muitos (em alguns casos todos) transcritos simultaneamente. O desenvolvimento da tecnologia de microarranjo permite aos cientistas uma ferramenta para examinar sítios potenciais de ação de componentes alimentares e suas interações com vários processos celulares. Com o uso desta ferramenta, diversos genes e sua expressão relativa são avaliados simultaneamente em células normais e doentes, antes ou depois da exposição a diferentes componentes dietéticos. Como exemplo de tal evolução, cita-se o progresso do projeto do genoma suíno e de aves, o qual apresentou consideráveis avanços quanto ao entendimento da seqüência de nucleotídeos associada a genes específicos de suínos permitiu a produção comercial de microarranjos individuais (gen chip) que podem ser utilizados para avaliação de 23256 transcrições correspondentes a 20201 genes do genoma desta espécie (Caetano et al., 2004).

Estas informações podem auxiliar a descoberta de novos biomarcadores para o diagnóstico de doenças e a predição de prognóstico, além de novas alternativas terapêuticas (Trujillo et al., 2006). O surgimento dos estudos em nutrigenômica e em nutrigenética, dois campos com diferentes abordagens para a elucidação da interação entre dieta e genes, possui um objetivo final em comum: otimizar a saúde através de uma dieta personalizada e fornecer poderosa aproximação para decifrar a complexa relação entre moléculas nutricionais, polimorfismo genético e o sistema biológico por inteiro (Mutch et al., 2005). A nutrigenômica descreve o uso de ferramentas para investigar um sistema biológico em particular, de acordo com um estímulo nutricional que irá permitir o conhecimento de como nutrientes influenciam mecanismos metabólicos e de controles homeostáticos. Por outro lado, a nutrigenética visa compreender como o tipo genético de um indivíduo coordena a resposta deste a uma dieta, e isto considerando o polimorfismo genético. O polimorfismo genético é reconhecido como um fator que pode alterar a resposta a componentes da dieta (efeito da transcrição nutricional) por influenciar a absorção, metabolismo ou sítio de ação (Kussmann et al., 2006).

A nutrigenômica em sistemas de produção animal.

Os estudos que estão sendo realizados na área da nutrigenômica são, em maior parte, desenvolvidos em humanos. Desta maneira, ainda serão necessários muitos ensaios para determinar e compreender os benefícios advindos de nutrientes que sabidamente são responsáveis por contribuir para um desempenho produtivo satisfatório, mas que ainda não foram consolidados em relação a possíveis interações com determinados genes em diferentes espécies. Neste contexto inserem-se os minerais, nucleotídeos, aminoácidos, as vitaminas, dentre outros elementos orgânicos que podem modificar a transcrição de genes com o potencial de alterar as respostas biológicas e metabólicas envolvidas em processos como o crescimento e a diferenciação celular. Siske et al. (2000) observaram maior peso dos ovos quando utilizaram zinco e manganês, ambos na forma orgânica, nas dietas de aves produtoras de ovos. Em uma primeira análise, não se observa uma correlação entre a suplementação de tais minerais e o incremento de solutos e líquidos na composição do ovo. No entanto, estes elementos atuam ativamente como co-fatores em processos enzimáticos importantes para o organismo. A enzima anidrase carbônica, por exemplo, necessita da presença de zinco para catalisar a reação que produz ácido carbônico a partir de água e dióxido de carbono (Slattery et al., 2004), necessária para a formação da casca. É possível que outras reações orgânicas sejam direta ou indiretamente influenciadas por diferentes minerais, e que interações entre estes e o conteúdo genético do indivíduo ocorram durante a exposição. A utilização de nutrientes com maior biodisponibilidade ao organismo poderá fornecer as quantidades ideais de um determinado mineral após o estabelecimento da dieta gênica para uma raça ou linhagem.
Em um experimento com cobaias, observou-se que ratos alimentados com uma dieta pobre em selênio demonstraram um aumento na expressão de genes envolvidos no processo de danificação do DNA, no estresse oxidativo e no controle do ciclo celular e, ainda, apresentaram redução na expressão de genes envolvidos na detoxificação (Sreekumar et al., 2002).
Blanchard et al. (2001) utilizaram arranjos de cDNA para demonstrar mudanças na expressão gênica intestinal induzida por deficiência de zinco em roedores. Estes estudos indicam que o perfil de expressão genética pode ser utilizado para a detecção de doses subótimas de micronutrientes essenciais utilizados nas dietas comerciais para as diversas espécies de interesse zootécnico.

Os componentes do alimento com potencial bioativo modificarão diversos processos simultaneamente. Assim, um dos desafios no campo da pesquisa é a identificação de quais processos, ou a interação entre processos, serão mais importantes para proporcionar uma mudança fenotípica (Trujillo et al., 2006). Outro aspecto relevante a ser observado é a identificação de quais doenças poderão ser prevenidas ou debeladas por uma intervenção através da dieta. No estudo da relação nutrição-gene também deverá ser considerado o fator ambiental como um agente modulador da resposta, a qual será única frente às variadas condições ambientais. A progressão de um fenótipo saudável para um fenótipo de doença crônica deve ocorrer por mudanças na expressão de genes ou por diferenças na atividade de proteínas e enzimas (Kaput e Rodriguez, 2004), sendo estas ativadas ou suprimidas por agentes extrínsecos ao animal. Um grande número de componentes dietéticos pode alterar eventos genéticos e, de tal modo, influenciar a saúde. Além dos nutrientes essenciais, tais como cálcio, zinco, selênio, folato, vitaminas C e E, existe uma variedade de classes de nutrientes não essenciais e de componentes bioativos que parecem influenciar de maneira significativa a saúde. Estes compostos essenciais e não essenciais do alimento, sabidamente modificam um número de processos celulares associados à prevenção de doenças, incluindo o metabolismo carcinogênico, o balanço hormonal, mecanismos de sinalização celular, controle do ciclo celular, apoptose e angiogênese (Davis e Uthus, 2004). A vitamina E, por exemplo, é um potente seqüestrador de radicais livres e o mais poderoso antioxidante lipossolúvel da natureza (Souza et al., 2006), sendo associada à defesa das membranas extra e intracelulares contra espécies reativas que danificam as células, conferindo, conseqüentemente, proteção ao conteúdo genético destas estruturas. Souza et al. (2006) relataram efeitos positivos para força de cisalhamento (força de corte) em músculos de frangos de corte suplementados com níveis crescentes de vitamina E nas dietas, atribuindo esta maior firmeza à função de proteção da vitamina E às injúrias na membrana celular durante o processo de congelamento. Contudo, tal resultado pode ser utilizado para uma investigação mais profunda, associando a composição estrutural muscular de frangos suplementados com vitamina mais firme à expressão de genes para a síntese de proteínas estruturais da fibra muscular, por exemplo. Desta forma, uma avaliação genômica da ação da vitamina E no organismo animal conduziria a uma determinação mais específica sobre a função estrutural deste nutriente. Uma questão sobre o selênio interessante de ser destacada é que estudos demonstraram que este mineral reduz a incidência de câncer no fígado, próstata e nos pulmões de humanos (Clark et al., 1996). Entretanto os indivíduos não respondem da mesma forma a suplementação com selênio, já que a variabilidade genética consiste em um dos fatores que contribuem para o nível e o tipo de resposta. A glutationa peroxidase é uma enzima dependente de selênio que atua no sistema antioxidante da membrana celular. Um polimorfismo no códon 198 da glutationa peroxidase em humanos resulta em uma substituição de leucina por prolina, sendo este mecanismo associado ao aumento do risco de câncer de pulmão (Singh et al., 2006). Não foram identificadas neste estudo as causas que influenciaram este polimorfismo, no entanto, tal alteração pode estar relacionada a quantidade de selênio que é necessária para otimizar a atividade da enzima. A eficácia do uso de selênio com diferentes alelos para a glutationa peroxidase não é totalmente conhecida (Hu e Diamond, 2003). A atividade da vitamina D constitui um outro exemplo sobre os efeitos mediados pela expressão genômica de receptores para a mesma. Por sua vez, a expressão de genes para estes receptores são dependentes dos níveis de cálcio na dieta e do consumo de Vitamina D (Slattery et al., 2004). Dada a importância desta vitamina nos mais diferentes processos fisiológicos dos animais, informações que possam maximizar os benefícios de seus efeitos, implicaram em novas aplicações de conceitos nutricionais na formulação de dietas para animais de produção. A nutrigenômica em nutrição animal promete ser uma alternativa de grande utilidade principalmente em sistemas de produção intensiva, onde a alimentação contribui, associada a outros fatores inerentes ao ambiente e métodos de manejo, com uma parcela significativa para a melhoria do desempenho zootécnico dos lotes, bem como na rentabilidade econômica das unidades. Para este aumento na eficiência biológica, a aplicação de novas tecnologias em produção animal serão responsáveis por custos de produção mais baixos e competitivos. Nos domínios metabólico, genético, reprodutivo e produtivo, novas técnicas que não apresentem riscos à saúde pública e que sejam eticamente aceitas pelo consumidor, permitirão aplicar no próximo século e nos sistemas de produção intensiva, tecnologias de produção que incrementem o setor primário de produção de alimentos (Portugal, 2002). Os princípios de nutrigenômica a serem aplicados para animais de produção, poderão não ter somente o objetivo de prevenir doenças relacionadas a alterações genéticas, mas também correlacionar à utilização de certo nutriente em uma dieta animal com o aumento de índices produtivos. As descobertas a serem realizadas na próxima década utilizando ferramentas moleculares, tais como os microarranjos, irão revolucionar nosso entendimento básico sobre a fisiologia dos rebanhos e auxiliarão a definir novos métodos para o controle nutricional dos animais. Em longo prazo, provavelmente a transcrição destes perfis será capaz de fornecer diversas ferramentas elementares para a avaliação do status nutricional e fisiológico de um indivíduo, animal ou grupo de animais (Dawson, 2006). As técnicas utilizadas para a elucidação da genômica nutricional não são diferentes daquelas utilizadas nas pesquisas em genética molecular. Uma rede integrada que simultaneamente examina a genética e associa polimorfismo com doenças ligadas a dietas (nutrigenética), nutrientes induzindo a metilação do DNA e a alteração da cromatina (epigenômica nutricional), nutrientes que induzem mudanças na expressão gênica (transcriptômica nutricional) que alteram a formação e/ou bioativação de proteínas (proteômica) irá permitir um completo entendimento da inter relação entre dieta e desenvolvimento de doenças (Davis e Milner, 2004).

Alimentos funcionais.

O termo "funcional", bioativo ou nutracêutico, vem sendo aplicado como conceito de alimentos que proporcionam um benefício fisiológico adicional além das qualidades nutricionais básicas. Tais alimentos também são vistos como promotores de saúde, sendo muitas vezes associados a um tratamento profilático à instalação ou retardo de alterações pré- estabelecidas (Moraes e Colla, 2006). Variações entre os alimentos ingeridos não somente influenciam o consumo de componentes bioativos como alteram o metabolismo celular, influenciando os sítios de ação de ambos nutrientes essenciais e não essenciais (Milner, 2004). Segundo Diplock et al. (1999) foi definido consensualmente o conceito europeu de alimento funcional como "um alimento em que está satisfatoriamente demonstrado possuir efeito benéfico em uma ou mais funções fisiológicas alvo, para promover a saúde e bem-estar e/ou reduzir o risco de doença". Um alimento funcional deve assim configurar-se, e seus efeitos devem ser demonstrados em doses que possam ser normalmente esperadas em uma dieta. Embora associado, este conceito não deve ser confundido com o conceito de nutracêutico, o qual se refere a um composto químico presente naturalmente nos alimentos ou substâncias encontradas naturalmente na natureza possíveis de ser ingeridas, como as ervas aromáticas, por exemplo, que sabiamente são benéficas para o organismo humano na prevenção ou tratamento de uma ou mais doenças, reforçando as reações fisiológicas. Embora, a maioria das substâncias de ocorrência natural benéficas a saúde originem-se de plantas, também existem diversos componentes fisiologicamente ativos em produtos de origem animal que devem ser destacados devido a função em potencial na promoção de saúde como, por exemplo, os ácidos graxos conjugados encontrados em produtos cárneos, principalmente (Prates e Mateus, 2002). As recomendações nutricionais variam conforme a espécie, sexo, categoria linhagem ou raça e, considerando estas características, diversos manuais são elaborados baseados em exigências específicas. Em muitas situações a formulação das dietas não permitem a máxima expressão do potencial genético dos animais de produção, desconsiderando o manejo nutricional como favorecedor do desempenho. A maioria das vezes, tal medida é realizada através de ensaios que avaliam o desempenho dos animais submetidos a uma dieta e também por estudos de digestibilidade que determina, através das excretas do animal, a porção do alimento ingerido que realmente foi aproveitada pelo organismo. Estes ensaios, comuns nos estudos de nutrição animal, necessitam de um melhor aproveitamento de seus resultados, sendo necessário o conhecimento do sistema orgânico que está sendo favorecido por determinado nutriente. Nesse sentido, estudos de nutrigenômica permitiriam o entendimento do efeito de alimentos bioativos nas diversas funções celulares. Embora os estudos em nutrigenômica tenham progredido consideravelmente, a complexidade da interação entre nutrientes e genes promove questionamentos ainda não esclarecidos, impossibililitando a aplicação dos benefícios relacionados a este novo conceito nos sistemas de produção animal.

Conclusão

Considerando o que foi relatado nessa revisão, entende-se que a variação genética individual pode influenciar a maneira com que nutrientes são assimilados, metabolizados, armazenados e excretados pelo organismo. Certamente o estudo da nutrigenômica permitirá uma maior compreensão de fatores ambientais e comportamentais que influenciam o fenótipo, possibilitando a formulação de dietas que favoreçam a condição de cada sistema de produção animal em especial, personalizando estas unidades de produção. O sucesso em aplicação deste novo conceito em nutrição possibilitará a maximização dos índices de produtividade e, conseqüentemente, a rentabilidade da atividade agropecuária. Para tal, muitos estudos ainda precisam ser desenvolvidos a fim de identificar e validar o potencial de alimentos ou componentes nutricionais que determinarão características ou condições desejáveis no organismo animal ou mesmo minimizar as não desejáveis.

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