Pesquisa propõe novos critérios para desenvolver pesticidas

Avanços na modelagem computacional de proteínas ampliam as possibilidades de desenvolvimento de defensivos agrícolas com novos mecanismos de ação. Entretanto, a escolha dos alvos moleculares continua decisiva para a eficácia dos produtos e a redução dos riscos de resistência. Jonathan Gressel, do Instituto Weizmann de Ciência, em Israel, e Stephen O. Duke, da Universidade do Mississippi, nos Estados Unidos, reúnem sete critérios para orientar essa seleção.

Os pesquisadores destacam o potencial de ferramentas como o AlphaFold, que substituiu a cristalografia de raios X na visualização de estruturas proteicas, e de algoritmos proprietários de desenho molecular. As tecnologias permitem desenvolver pequenas moléculas e peptídeos capazes de interagir com regiões antes consideradas inacessíveis. O avanço amplia o universo de possíveis alvos para herbicidas, fungicidas e inseticidas. Como os herbicidas respondem pela maior parte do volume, da área tratada e do valor de mercado, a maioria dos exemplos citados envolve plantas daninhas.

Historicamente, a descoberta de defensivos dependeu de triagem aleatória de compostos químicos, com exceção dos produtos desenvolvidos a partir de moléculas naturais. Os alvos moleculares de quase todos os defensivos pioneiros em uma nova classe de mecanismo de ação eram desconhecidos no momento do lançamento comercial. Embora organismos eucarióticos considerados pragas possuam mais de 10 mil proteínas diferentes, apenas uma fração mínima constitui alvo dos produtos disponíveis.

Segundo Gressel e Duke, a seleção de novos alvos deve considerar a possibilidade de evolução da resistência. Moléculas capazes de inibir enzimas essenciais nem sempre apresentam eficácia no organismo. Além disso, alterações genéticas podem reduzir a sensibilidade dos alvos ou aumentar a capacidade de degradação dos compostos.

Múltiplos alvos podem dificultar resistência

Uma das principais recomendações envolve o desenvolvimento de moléculas capazes de atuar sobre dois ou mais alvos moleculares. Essa característica reduziria a probabilidade de resistência associada a mutações específicas. Pela estimativa dos autores, se a resistência a um alvo único aparece em dez anos, a necessidade de mutações simultâneas em dois alvos elevaria esse prazo a cem anos.

Os pesquisadores apresentam duas estratégias. A primeira envolve a inibição de proteínas com funções diferentes. A segunda consiste em interromper interações entre proteínas ou entre subunidades de uma mesma proteína.

O herbicida rimisoxafen aparece como exemplo de composto com ação sobre dois alvos. A molécula inibe a fitoeno dessaturase e a solanesil difosfato sintase, enzimas essenciais à biossíntese de carotenóides. Os pesquisadores observam, entretanto, a ausência de informações sobre a origem intencional ou casual dessa atividade dupla.

A combinação de alvos exige concentrações inibitórias semelhantes nas duas enzimas. Caso uma delas apresente sensibilidade muito superior, o alvo mais sensível determinará a dose aplicada no campo. Nessa situação, o segundo alvo oferece pouca contribuição ao controle e à redução da pressão de seleção para resistência.

A velocidade de ação também interfere no resultado. Um mecanismo rápido, como a inibição da protoporfirinogênio oxidase (PPO), antagonizaria um mecanismo lento, como a inibição da acetolactato sintase (ALS), reunidos na mesma molécula. A relação se inverte entre inibidores do fotossistema II e da hidroxifenilpiruvato dioxigenase (HPPD), que apresentam sinergia e tornariam atrativa uma molécula com ação sobre os dois alvos.

Interação alcança alvos já comprometidos

Outro caminho envolve moléculas capazes de impedir a associação de subunidades proteicas. Determinadas enzimas dependem dessa interação para funcionar. Uma mutação capaz de impedir a ligação do defensivo também poderia comprometer a formação da enzima ativa.

Nesse cenário, a resistência exigiria mutações complementares em diferentes componentes proteicos. Os pesquisadores consideram essa combinação menos provável do que alterações em um único sítio de ligação.

A estratégia interessaria sobretudo a alvos já afetados por resistência. Plantas daninhas resistentes aos inibidores de ALS permaneceriam suscetíveis a um composto que bloqueasse a associação entre as subunidades da enzima, porque os sítios de ligação diferem dos atuais. Estudo coassinado por Gressel descreve moléculas desenhadas para interromper a interação entre a O-acetilserina sulfidrilase e a serina acetiltransferase, etapa necessária à síntese de cisteína em plantas.

A indústria farmacêutica abriu o caminho ao desenvolver compostos contra interfaces proteicas, consideradas inatingíveis porque apresentam regiões de ligação rasas, diferentes das cavidades profundas exploradas pelos medicamentos convencionais.

Abundância das proteínas influencia eficácia

A quantidade da proteína-alvo representa outro fator importante. Enzimas muito abundantes podem exigir doses elevadas para alcançar níveis suficientes de inibição. Composto desenvolvido contra a rubisco, proteína mais abundante das plantas verdes, exigiria quantidades inviáveis para controlar plantas daninhas.

Os cientistas citam a enzima acetolactato sintase (ALS) como contraexemplo. Sua concentração nas folhas é cerca de 36 vezes menor que a da cetol-ácido redutoisomerase (KARI) e quatro vezes menor que a da diidroxiácido desidratase (DHAD), as outras duas enzimas da via dos aminoácidos de cadeia ramificada. Essa baixa abundância pode contribuir para a eficácia de determinados herbicidas em doses de poucos gramas por hectare.

Nenhuma das duas enzimas mais abundantes gerou inibidores comerciais, apesar de bons resultados em ensaios in vitro. Os autores sugerem ainda os fatores de transcrição, proteínas de abundância muito baixa, como alvos possíveis.

O aumento da produção da proteína-alvo também constitui mecanismo conhecido de resistência. Algumas plantas daninhas desenvolveram resistência ao glifosato mediante amplificação gênica, processo responsável pelo aumento da quantidade da enzima EPSPS. Mecanismos semelhantes ocorrem com inibidores da ACCase e com fungicidas.

Os pesquisadores também recomendam evitar alvos com vias metabólicas alternativas. A presença de enzimas capazes de compensar a inibição pode preservar o funcionamento do organismo e comprometer o controle. A biossíntese de ascorbato, que ocorre por três rotas distintas em plantas e insetos, ilustra o problema.

Estrutura química interfere na resistência metabólica

A seleção da estrutura química merece atenção semelhante. Segundo o artigo, mais de dois terços dos defensivos registrados são heterociclos hidrofóbicos construídos sobre poucos esqueletos químicos comuns. Quando surge uma molécula promissora, a indústria costuma transferir o grupo ativo para outros esqueletos da mesma categoria.

Essas características podem favorecer a degradação por enzimas associadas à resistência metabólica, especialmente glutationa transferases e mono-oxigenases do citocromo P450.

Os pesquisadores apontam diferenças em compostos hidrofílicos, como glifosato, glufosinato e paraquate. Apesar do uso prolongado, esses herbicidas não apresentam resistência metabólica substancial conhecida, conforme a análise.

No caso dos inseticidas, ligações éster podem facilitar a degradação por esterases. O trabalho recomenda evitar estruturas suscetíveis a essas enzimas durante o desenvolvimento de novas moléculas.

A recomendação também alcança defensivos baseados em peptídeos. Embora apresentem potencial para atingir novos alvos, essas moléculas podem sofrer degradação por proteases. Estruturas cíclicas, aminoácidos D e aminoácidos não essenciais representam alternativas para aumentar sua estabilidade.

Inibição parcial precisa provocar efeito letal

Outro critério estabelece a necessidade de verificar se a inibição parcial do alvo provoca a morte do organismo. A eliminação completa de uma enzima em experimentos genéticos não garante eficácia semelhante com a aplicação de um defensivo. Os autores recomendam testes com RNA de interferência sob promotor indutível, que reduzem apenas parte da proteína-alvo e se aproximam da condição real de uso.

Os pesquisadores destacam a importância de compostos capazes de desencadear o acúmulo de substâncias tóxicas. Herbicidas inibidores da protoporfirinogênio oxidase (PPO), por exemplo, provocam acúmulo de protoporfirina IX. Na presença de luz e oxigênio, essa substância favorece a formação de oxigênio singlete, altamente tóxico às células.

Outros herbicidas apresentam efeitos semelhantes por meio da produção de espécies reativas de oxigênio, caso do paraquate e do diquate, ou do acúmulo de metabólitos fitotóxicos, observado com inibidores de ALS e com o glifosato. Esses processos permitem efeitos letais mesmo sem a inibição completa das proteínas-alvo.

Semelhança com mamíferos não é critério eliminatório

A segurança também integra os critérios propostos, em formulação distinta da adotada por parte da indústria. Diversas empresas exigem que o alvo não exista em mamíferos. Gressel e Duke consideram a exigência limitante demais e observam que alvos de herbicidas comerciais pertencentes a 10 dos 25 grupos da classificação do Comitê de Ação à Resistência a Herbicidas (HRAC) possuem ortólogos em mamíferos.

Para os autores, basta que a região de ligação seja suficientemente diferente da estrutura correspondente em mamíferos, condição que as ferramentas moleculares atuais permitem prever. A alternativa amplia o universo de alvos disponíveis sem elevar as barreiras regulatórias. Compostos que atuam sobre tubulinas de plantas e de fungos e sobre a diidroorotato desidrogenase ilustram a situação.

Outro requisito envolve a semelhança da região de ligação entre espécies de importância agrícola, condição para que o mercado justifique o investimento. Entre os grupos citados aparecem plantas daninhas das famílias Poaceae e Amaranthaceae, insetos das ordens Lepidoptera e Coleoptera e fungos do gênero Fusarium. Decisões de desenvolvimento baseadas em uma única espécie-modelo, como Arabidopsis, são apontadas como insuficientes.

Gressel e Duke ressaltam, contudo, a existência de mecanismos adicionais de resistência, como exclusão, expulsão, compartimentação em vacúolos e ligação a componentes da parede celular. A combinação gradual desses mecanismos pode elevar a tolerância das populações, processo que os autores associam ao uso de doses reduzidas.

O trabalho também recomenda avaliar a penetração dos compostos nos organismos, a chegada aos alvos celulares, a persistência ambiental e a dissipação dos resíduos nas culturas antes da colheita. Esses fatores influenciam a viabilidade comercial e a segurança dos produtos (doi 10.1002/ps.71458).