Biotecnologias da Reprodução
José Aurélio G. Bergmann Introdução
A união entre a genética e a reprodução tem possibilitado avanços importantes na produção de alimentos de origem animal. Tais avanços, representados pela melhor utilização dos recursos disponíveis concomitante a ganhos em quantidade e qualidade dos alimentos, são importantes para suprir o dramático aumento da população humana e a severa deficiência alimentar em muitas partes do mundo. A biotecnologia possui técnicas (as biotécnicas) que têm possibilitado este avanço. Muitas das biotécnicas já são rotina na produção animal há décadas. Outras, ainda em desenvolvimento, poderão se tornar rotina dependendo de sua necessidade e adequação e da receptividade do consumidor. O sucesso de uma biotecnia estará assegurado apenas se seus benefícios superam seus custos. Os benefícios são sempre genéticos, devido ao maior valor da progênie resultante da seleção de reprodutores, mães ou clones. Esta apresentação aborda as perspectivas da aplicação prática das biotécnicas na produção animal. Como o tema é amplo, o trabalho será focado nas biotécnicas associadas à reprodução animal, isto é a inseminação artificial, a transferência de embriões, a fecundação in vitro para produção de embriões, a sexagem de embriões e sêmen e a clonagem. Aspectos relacionados à utilização das biotecnias genéticas na produção animal foram revistos por Bergmann & Penna (1999), Niemann (1999) e Visscher et al. (2000).
Inseminação Artificial
A biotecnia inseminação artificial (IA) tem sido rotina para a produção animal nos últimos 50 anos. Seu principal uso tem sido em bovinos leiteiros, associado aos testes de progênies e à utilização de touros geneticamente provados. A IA é também utilizada em larga escala para viabilizar sistemas de cruzamentos entre Bos taurus e Bos indicus, tanto para produção de carne quanto leite, em países onde a utilização de touros da raça européia em monta natural é difícil. A evolução da técnica a partir do uso de sêmen fresco, passando pelo uso de ampolas, palettes e mini-palettes, o aumento da eficiência na produção, armazenamento e distribuição de nitrogênio e dos métodos de descongelamento tornaram a IA confiável. Em países de clima temperado estes avanços técnicos refletiram em redução do custo de uma IA para o equivalente a de 50 a 60 litros de leite. Como a produção de leite por vaca dobrou nestes países nos últimos 30 anos, o custo da IA em relação à produção de leite foi bastante reduzido (Cunningham, 1999). Assim, a IA praticamente substituiu toda a monta natural utilizada nos rebanhos leiteiros comerciais da Europa e América do Norte. Por exemplo, na Dinamarca e na Holanda, 100% do rebanho leiteiro usa IA. Nos demais países, a utilização varia de 60 a 90%. Nestes países a IA é utilizada nos rebanhos leiteiros porque o valor presente líquido (lucro) do mérito genético que essa biotecnia possibilita é até 10 vezes superior ao seu custo adicional. Por outro lado, a IA é menos utilizada pelo produtor de bovinos de carne porque os custos, inclusive com a observação de cio, são elevados, e o ganho genético de menor magnitude.
A IA, quando utilizada para massificar a utilização de reprodutores geneticamente superiores, é a biotecnia de maior impacto para os programas de melhoramento animal. No Brasil, Ferraz (1996) estimou aumentos de 89,2 mil toneladas de leite e 22,2 mil de carne, num valor total de U$39 milhões/ano, com o aumento de 30% do uso da IA.
As vantagens econômicas da utilização da IA em relação a monta natural foi exemplificada por Dias & Dias Neto (1996). Os autores adotaram como premissas que a IA não acarretaria investimentos adicionais em instalações e benfeitorias, mas foram incluídos gastos com mão de obra especializada, materiais e sêmen. Foram enfocados vários cenários, variando-se o preço da dose de sêmen e a diferença esperada na progênie (a DEP, indicativa do mérito genético) dos touros. Para cada uma das situações determinou-se a resposta econômica no peso para abate para machos (aos três anos) e fêmeas (aos dois anos), resultante do uso de sêmen de touros com DEP positivo para o peso aos 550 dias de idade. O valor presente líquido utilizado nas comparações foi obtido descontando-se o fluxo de caixa gerado nos dois sistemas de acasalamento. Os autores comentaram que a escolha do sêmen deve ser sustentada no seu preço e no valor da DEP dos touros, mas que esta relação não é linear, isto é, que até certo ponto houve vantagens para o uso de touros com DEPs maiores, mesmo a preço mais elevado do sêmen. Apesar do maior valor presente líquido pela adoção da IA, esta implicou em menor caixa gerado nos primeiros anos de implantação, com ganhos futuros à medida que o progresso genético foi repassado para as gerações futuras. Assim, preconizaram os autores, que a utilização de sêmen de preço mais baixo nos primeiros anos da adoção de IA pode representar importante fator de proteção do caixa.
As vantagens da IA representadas pelo incremento do ganho genético nos programas de melhoramento está sustentada pela utilização de reprodutores de genética superior. Existem indicações na literatura que o progresso genético alcançado tem sido menor que o esperado, provavelmente devido á inclusão de outras características que não as produtivas de valor econômico nos processos seletivos (Wilder & Van Vleck, 1988).
No Brasil, Madalena et al. (1995), ao analisarem informações referentes à venda do sêmen importado de touros de raça leiteiras, concluíram que as informações sobre o valor genético dos animais teve pouca influência sobre os preços do sêmen, os quais foram muito mais influenciados pelo parentesco dos touros com progenitores famosos. De forma similar, Madalena et al. (1999) informaram que na raça Nelore os únicos fatores que influenciaram os preços do sêmen foram o parentesco com touros famosos e a premiação em exposições nacionais, concluindo pela pouca importância dada às características produtivas (pesos ajustados e medidas corporais) ou genéticas (DEPs). Felizmente, este cenário parece estar mudando. Dias (1996) analisou as relações existentes entre os preços de sêmen e as principais informações promocionais ou técnicas disponíveis para os touros doadores e concluiu que, pelo menos, parte do mercado brasileiro de sêmen da raça Nelore já considera os aspectos genéticos no preço do sêmen, demonstrando certa evolução em relação aos levantamentos anteriores.
Como a IA é uma biotecnia madura e consagrada, futuro desdobramentos são dependentes dos aspectos econômicos na sua utilização. Novos métodos para detecção de cio ou as técnicas para a microencapsulação espermática, que reduz a importância do momento de inseminação (Nebel et al., 1993) poderão assumir importância futura. Transferência de Embriões
A transferência de embriões (TE) foi inicialmente desenvolvida como uma técnica cirúrgica. Nos últimos 20 anos, os métodos de colheita, estocagem e implantação de embriões bovinos foram aprimorados. Atualmente é possível recuperar por método não cirúrgico até 30 embriões em uma coleta de uma vaca super-ovulada. Entretanto, a média da produção de embriões por coleta é de 5,5 (Thibier, 1998). A
congelação em nitrogênio líquido e o descongelamento são operações de rotina e com relativamente pequeno efeito sobre a viabilidade do embrião. A implantação não cirúrgica é também rotina.
O principal benefício da TE é produzir mais bezerros de uma vaca do que pela reprodução convencional. Cada vaca possui até 75 mil ovócitos nos ovários. Cada um deles é um embrião potencial. Entretanto, pelas vias convencionais o número médio de bezerros produzidos por vaca é de apenas quatro. Por meio da TE este número pode ser aumentado para 25 ou mais bezerros.
O maior benefício advindo do aumento da taxa reprodutiva das fêmeas é que aquelas geneticamente superiores poderão contribuir mais para o programa de melhoramento. Este é o caso dos programas MOET (ovulação múltipla e transferência de embriões).
O termo MOET descreve um sistema no qual a TE é utilizada para produzir famílias contemporâneas de irmãos completos e meio-irmãos, e machos e fêmeas são avaliados com base no desempenho desses irmãos, o que diminui o tempo necessário para os testes de progênie convencionais. Assim, pode-se aumentar a intensidade de seleção e diminuir o intervalo entre gerações dos animais e, portanto, aumentar o ganho genético (Church & Shea, 1977).
Desde a década de 70, o MOET tem sido usado de forma dispersa, visando melhoramento dentro de rebanhos e para facilitar a importação e multiplicação de raças. De forma organizada, tem sido usado nas mães de tourinhos para testes de progênie em bovinos leiteiros. Entretanto, antes de 1983, não haviam sido consideradas estratégias especiais de melhoramento usando MOET. Naquele ano, os pesquisadores Nicholas & Smith (1993) demonstraram teoricamente que o esquema de melhoramento leiteiro que associasse o MOET com o sistema de núcleo de seleção e teste de irmãs e/ou ancestrais, poderia ser mais eficiente que o teste de progênie em larga escala e permitiria progressos genéticos mais rápidos, semelhantes aos obtidos em suínos e aves. Desde então, diversos pesquisadores passaram a explorar o tema e foram delineados vários tipos de núcleos MOET de seleção (Colleau, 1985; Colleau & Mocquot,1989). Foram feitos vários estudos de simulação procurando avaliar o progresso possível nas diversas estratégias de núcleo MOET (Juga & Maki-Tanila, 1987; Teepker & Smith, 1989; Ruane & Thompson, 1991). Confirmou-se que os ganhos, apesar de menores que os previstos inicialmente, poderiam, em algumas estratégias, serem maiores ou iguais aos possíveis em testes de progênie em larga escala.
Surgiram, então, no final dos anos 80, em diversos países e raças, notadamente as que contam com número não muito grande de animais, vários esquemas MOET de melhoramento (Christensen, 1991; Penna, 1993) que visam explorar os benefícios desta técnica e, concomitantemente, aperfeiçoa-la. Seguem, também, os trabalhos de simulação buscando sua otimização.
Para os países em desenvolvimento, que carecem de infra-estrutura para realização de teste de progênie acurado, os esquemas de núcleo MOET são ainda mais importantes (Smith, 1988). Apesar de usar de tecnologia sofisticada, o faz de forma concentrada, sendo mais fácil a sua implantação que a de um teste de progênie em larga escala. Os núcleos MOET permitem a concentração dos recursos financeiros, humanos e genéticos em um único local, sendo possível obter progresso genético competitivo com o de países desenvolvidos.
tanto para introdução e melhoramento de raças exóticas especializadas quanto para o melhoramento de raças nativas e naturalizadas. No primeiro caso, pode eliminar a dependência de constantes importações de matrizes e sêmen de países desenvolvidos e, principalmente, avaliar o valor genético dos animais em nossas reais condições de clima e manejo. No segundo caso, como é o caso das raças zebus, esta pode ser a alternativa mais viável de se obter material genético melhorado, tanto na seleção como pré-seleção de tourinhos para teste de progênie, em raças que têm condições de avaliar apenas pequeno número de animais. Neste caso, além de permitir maior intensidade de seleção, poderia aumentar o número de criadores interessados em fornecer fêmeas para testar tourinhos, pois teriam maior segurança de seu mérito genético, aumentando, assim, a acurácia do teste. Também pode detectar, pela produção das irmãs, tourinhos de alto mérito oriundos de rebanhos que não faziam controle leiteiro oficial, o que pode ser de grande importância em raças com riscos de aumento de consangüinidade. Desta forma, o uso de núcleos MOET pode ser de grande valia para o melhoramento do zebu brasileiro, tanto para consumo interno quanto para exportação, dada à carência deste material no cenário internacional. No Brasil, um exemplo de sucesso de um programa Núcleo MOET é o Núcleo Elite Aberto de Melhoramento Guzerá-MOET, iniciado no final de 1994, visando a seleção para dupla aptidão (leite e carne) nesta raça (Penna, 2000).
Fecundação in vitro para a produção de embriões
Nos últimos anos as pesquisas têm se concentrado num grupo de biotecnias em que quase tudo acontece nos laboratórios. Assim, ovócitos imaturos são coletados de fêmeas vivas ou a partir dos ovários de fêmeas abatidas em frigoríficos, passam por um processo de maturação in vitro, são fertilizados in vitro, se desenvolvem até certo estágio in vitro, sendo então transferidos para o útero de uma receptora, ou congelados para uso futuro. Este processo é conhecido como IVM/IVF (maturação in vitro, fertilização in vitro).
O processo para obtenção de ovócitos foi inicialmente concebido a partir de ovários obtidos em abatedouros. Acreditava-se que o aumento na escala de produção de embriões tornaria a técnica economicamente equivalente à IA. O desenvolvimento da técnica nesta direção tem sido pequeno pois grande número de fêmeas abatidas faz-se necessário para a obtenção de ovócitos. Este número poderia ser obtido com fêmeas comerciais, mas estas não teriam nada mais a oferecer em termos de superioridade genética quando comparado ao uso de IA. Desta forma, o mercado não pagaria por um embrião resultante desta rotina nada a mais do que paga pela IA.
As possibilidades para o uso da IVF aumentaram muito com o desenvolvimento de métodos de aspiração de ovócitos imaturos dos ovários de fêmeas vivas (Pieterse et al., 1988), inclusive de fêmeas pré-puberes (Lohius, 1995). Isto implicaria na utilização intensiva de fêmeas de genética superior, pois tem a aspiração de ovócitos pode ser feita sem problemas mesmo em vacas gestantes.
Apesar disto, o sucesso econômico da IFV é ainda um problema. Menos de 30% dos ovócitos cultivados se desenvolvem em embriões viáveis para transferência. A perda durante a gestação é também grande, com a taxa de gestação a partir de embriões IVF cerca de 10% inferior à de embriões convencionais (taxa de gestação próxima a 50% observada com freqüência; Hasler et al., 1995). A congelação de embriões IVF têm perda de viabilidade ainda maior. As pesquisas atuais enfocam a redução desta perda de viabilidade e o aumento da eficiência para obtenção de ovócitos.
Sexagem de sêmen e embriões
O valor comercial de um embrião sexado é, sem dúvida, maior do que o não sexado, pois possibilitaria o adequada programação para o uso do produto. Com as biotecnias atuais é possível extrair uma célula de um embrião nos estágios iniciais de desenvolvimento e determinas seu sexo com segurança a partir de seu DNA (Thibier & Nibart, 1995). Entretanto tal método de sexagem não é rotina face ao seu elevado custo, interferência com a viabilidade do embrião e pela possibilidade de grande discriminação comercial entre os gêneros (o que fazer com os embriões do sexo não desejado?).
Como o sexo de um embrião é determinado pelo fato dele carregar um cromossoma X ou um Y, a maior parte das pesquisas atuais foi direcionada para a separação entre espermatozóides carregando o cromossoma Y do carregando o X. Os métodos utilizando sedimentação, centrifugação, eletroforese e antígenos de superfície são ineficientes. Como os espermatozóides portadores dos cromossomas X e Y diferem em aproximadamente 2,8% na quantidade de DNA que possuem, eles podem ser separados quando avaliados uma a um por meio de técnicas de citometria. O sistema funciona em relação à precisão (90% de acerto), mas o processo de classificação das células é lento (cerca de mil espermatozóides por segundo) e reduz drasticamente a viabilidade capacidade fecundante dos espermatozóides.
Atualmente, a biotecnia seria útil quando associada à IVM/IVMF, quando apenas alguns milhares de células são necessárias para fertilizar o óvulo. Apesar do eficiente emprego desta técnica para produção comercial de sêmen sexado ser improvável de ocorrer nos próximos anos(Cunningham, 1999), seu uso será benéfico tanto para produção de leite como de carne. Nos bovinos leiteiros, a intensidade da seleção materna e poderia ser duplicada e o valor comercial dos bezerros cruzados filhos das vacas não selecionadas seria maior. Nos rebanhos de corte, os sistemas de cruzamento utilizariam sêmen com o cromossoma X para produção materna e todas as fêmeas F1 seria inseminadas com sêmen com cromossoma Y de touros terminais.
Clonagem
O primeiro animal doméstico a ser clonado foi um ovino, a partir de células embrionárias (Willadsen, 1986). Naquela época acreditava-se que após a fase embrionária os subsequentes estágios de diferenciação celular seriam irreversíveis. Assim as tentativas foram no sentido de se aprimorar as técnicas de cultura e partição de embriões o que, em teoria, possibilitaria um número indeterminado de clones a partir de único embrião. Esta linha não obteve sucesso.
Uma técnica alternativa, baseada no transplante nuclear foi desenvolvida, sendo bem mais eficiente do que a partição embrionária (Wolfe & Kraemer, 1992). Por esta técnica o núcleo de células de embriões nos estágios iniciais de desenvolvimento são transferidos para óvulos não fertilizados dos quais o núcleo foi removido. Com esta técnica a sobrevivência embrionária (além de 55 dias nos bovinos) é ainda pequena, e são muitas as dificuldades técnicas para a o estabelecimento de ciclos repetidos de clonagem e cultura celular.
Um marco na biotecnia clonagem foi a demonstração de Wilmut et al. (1997) de que é possível clonar animais a partir de células obtidas em animais adultos. Além do aprimoramento da técnica, as discussões atuais passam pelas anomalias conseqüentes à clonagem. Na revisão de Kruip & Dass (1996), por exemplo, ficou evidente que o período de gestação de clones prolonga-se a tal ponto de provocar altas taxas de
natimortalidade e mortalidade logo após o nascimento. Não se sabe se estas anomalias são resultantes da transferência nuclear ou de elementos no processo de cultura para o IVM/IVF. Face necessário maior compreensão das causas destas anormalidades porque, mesmo e baixa freqüência, sua ocorrência é suficiente para inibir as vantagens da biotecnia envolvendo clonagem.
Após sanados estes problemas, a biotecnia de clonagem em bovinos poderá refletir em ganhos econômicos resultantes do maior progresso genético, facilidade na disseminação de material genético superior e pelo melhor uso das vantagens da heterose.
Conclusões
Como touros e vacas podem produzir filhos por meios naturais, cada biotecnia deve adicionar algo ao processo natural, o que vai depender do custo benefício da técnica. Apesar de serem tratadas de forma individual, são as interações entre as diversas biotecnias que levar aos maiores ganhos. A combinação entre IA e teste de progênie impulsionou a produção mundial de leite nos últimos 40 anos. Novos métodos para controle do estro podem expandir o uso da IA em bovinos de corte. A sexagem eficiente do sêmen com técnicas de IFV abrirão novas possibilidades para a utilização de embriões. A aspiração de ovócitos imaturos possibilitaria uma nova dimensão à biotecnia IVF. Por outro lado, a exploração da biotecnia clonagem só é possível com a cultura de embriões e transferência nuclear.
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