Tecnologias reprodutivas e produção sustentável da pecuária

Os alimentos de origem animal são um componente vital para uma dieta humana equilibrada e saudável, fornecendo proteínas (incluindo aminoácidos essenciais, comumente não encontrados em dietas à base de vegetais), energia, minerais e vitaminas (White e Hall, 2017).

Embora a população mundial siga a tendência de desaceleração do crescimento, a projeção da ONU é que o mundo alcance 8,5 bilhões de habitantes em 2030 e 9,7 bilhões em 2050 (FAO, 2021).  Portanto, será necessário garantir para essas pessoas alimentos suficientes, seguros e nutritivos que satisfaçam suas necessidades dietéticas para uma vida ativa e saudável (FAO, 2021). Ao mesmo tempo, para melhor lidar com as mudanças climáticas será necessário reduzir as emissões de gases responsáveis pelo efeito estufa, provenientes dos setores dos transportes, energia, indústria de transformação e agricultura. 

Em países em desenvolvimento, os bovinos servem não apenas como fonte de alimento, mas também fornecem força de tração, transporte, matéria prima para vestuário, poupança de capital, bem como suporte a práticas culturais e religiosas. Além disso, da mesma forma que outros ruminantes como ovinos, caprinos e bubalinos, os bovinos convertem alimentos volumosos de baixa qualidade, não comestíveis pelos humanos, em alimentos comestíveis na forma de carne ou leite. Inclusive, essa contribuição é da maior relevância uma vez que grande parte desses volumosos encontra-se em terras não agricultáveis  (Mottet et al., 2017). 

Por outro lado, embora a pecuária contribua para o aumento da fertilidade do solo e proporcione benefícios ecológicos (controlo de pragas e ervas daninhas), ela tem se tornado uma das principais fontes de emissão de gases de efeito estufa (GEE), especialmente metano e óxido nitroso, que contribuem significativamente para o aquecimento global (World Bank, 2022). 

Por esse motivo, a produção de proteínas de origem animal é atualmente posta em debate, principalmente quando se utilizam práticas de produção extrativistas. Nesse contexto, devido à sua capacidade de melhorar a eficiência produtiva dos animais, as tecnologias reprodutivas podem ter um papel preponderante para produzir alimentos de forma sustentável. 

O presente artigo discute como o emprego de tecnologias reprodutivas tradicionais (inseminação artificial, transferência de embriões) resulta em aumento de produção e, concomitantemente, em ganhos ambientais consideráveis. Adicionalmente, descreve as tecnologias genéticas mais recentes (testes genômicos, edição gênica) que, em associação com as tecnologias reprodutivas, podem contribuir para uma produção mais sustentável da pecuária bovina.

Inseminação Artificial (IA) e Transferência de Embriões (TE).

A IA e a TE são tecnologias reprodutivas utilizadas, dentre outros, para realizar melhoramento genético dos rebanhos bovinos. A IA permite que machos geneticamente superiores produzam um número maior de descendentes altamente produtivos em comparação ao uso da monta natural convencional. Igualmente, a TE possibilita que fêmeas doadoras geneticamente superiores produzam, por intermédio de fêmeas receptoras, um número de descendentes maior do que sua capacidade reprodutiva natural permite.

Para compreender o poder dessas duas tecnologias reprodutivas, basta olhar para a evolução da pecuária leiteira dos EUA ao longo das últimas décadas. Em 2021, o número de vacas leiteiras nos EUA caiu 37%, e a oferta nacional de leite aumentou 74% , decorrente do aumento da produtividade por vaca (295%) devido, em grande parte, à adoção generalizada da IA (a partir do ano de 1965) e da TE  (a partir do ano 2000) (Tabela 1).

Tabela 1. Evolução do número de vacas leiteiras, produção nacional de leite  e produção de leite por vaca nos EUA de 1965 a 2021. 

^{Fonte: United States Department of Agriculture National Agricultural Statistics Service (Youngs, 2023).}

Além do aumento da produção, a incorporação da IA e TE nos rebanhos contribuiu significativamente para a sustentabilidade da indústria leiteira dos EUA. Com efeito, no período de 1944 a 2007, o melhoramento genético associado com a melhoria do manejo reduziu em 37% a pegada de carbono da indústria de gado leiteiro dos EUA (Capper et al., 2009). Em termos produtivos, para cada litro de leite produzido houve uma redução de 90% no uso da terra, de 79% no número de animais, de 77% nos alimentos consumidos pelos animais e de 65% na água. Estas mudanças estão ilustradas na Tabela 2.

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Tabela 2. Comparação das necessidades de recursos, produção de dejetos e impacto ambiental dos sistemas de produção de leite dos EUA em 1944 e 2007 (adaptado de Capper et al. 2009).

¹Inclui as emissões de CO₂, além do equivalente em CO₂ do CH₄ e do N₂O emitidos pelos animais

Um estudo posterior mostrou que a produção de dejetos e de metano por unidade de leite produzido foi reduzida em 79,4% e 80,8% no período de 2007 e 2017, respectivamente (Capper e Cady, 2020). Esses dados ilustram claramente a associação entre produção eficiente de leite e sustentabilidade. 

Sêmen sexado

Além da IA e da TE convencionais, outras tecnologias reprodutivas como a sexagem do sêmen podem ser utilizadas para melhorar ainda mais a sustentabilidade da pecuária (Vishwanath e Moreno, 2018).

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A sexagem do sêmen é uma tecnologia decorrente da separação física dos espermatozóides portadores dos cromossomos Y ou X. Ao fertilizar um óvulo de mamífero (que contém um único cromossomo X), um espermatozóide com cromossomo Y produzirá um embrião masculino, enquanto que um espermatozóide com cromossomo X produzirá um embrião feminino. Ao realizar a IA com sêmen sexado, é possível pré-determinar o sexo genético do recém-nascido com uma precisão entre 85% e 95%. Esse índice não é 100% devido que a técnica de sexagem não impede que alguns espermatozóides com o cromossomo indesejado escapem no processo de separação (Vishwanath e Moreno, 2018).

A escolha do sexo dos descendentes é importante em gado de corte, pois os produtores muitas vezes preferem que suas vacas produzam bezerros machos, mais eficientes na conversão alimentar do que as fêmeas. Da mesma forma, os produtores de leite preferem produzir bezerras nos rebanhos, visto que somente as fêmeas podem emprenhar, parir, e subsequentemente produzir leite.

Uma das aplicações mais interessantes da tecnologia do sêmen sexado é para viabilizar a opção de produzir animais de corte em rebanhos leiteiros (Cabrera, 2022). Com efeito, os machos leiteiros normalmente têm baixo valor de mercado porque não possuem as mesmas características genéticas dos bezerros machos, geneticamente selecionados para produção de carne. Como consequência, os bezerros machos dos rebanhos leiteiros normalmente são descartados ou sacrificados após o nascimento, devido ao elevado custo de produção quando aproveitados para a produção de carne. 

Uma estratégia interessante para aproveitar os machos provenientes de rebanhos leiteiros, utilizada nos Estados Unidos e na maioria dos países europeus, consiste em produzir vitelos para carne utilizando a tecnologia ”Beef on dairy”, em que parte das fêmeas, principalmente da raça Holandesa, são acasaladas com reprodutores da raça Angus ou outras raças de corte. 

Quando se utiliza sêmen sexado, as fêmeas de maior produção são inseminadas com espermatozóides portadores do cromossomo X para gerar as novilhas de reposição que irão reproduzir no rebanho após atingirem a maturidade sexual. As outras vacas recebem sêmen sexado para “macho” (espermatozoides com cromossomo Y) de um touro de raça de corte que foi selecionado geneticamente pela qualidade da carne. Esta abordagem de melhoramento permite que as fêmeas com maior lactação tenham filhas com alto potencial genético para produção de leite, enquanto que as fêmeas com lactação abaixo da média produzem filhos que têm maior potencial genético para produção de carne.

No Brasil, as implicações ambientais de aproveitar os bezerros para produzir carne nos rebanhos leiteiros foram descritas por Vilela e Verneque (2022).  Os autores estimaram que a abertura de novas áreas para produção de carne bovina seria reduzida em 30 milhões de hectares, além de uma redução de 864 mil toneladas por ano na emissão de GEE, decorrente da menor demanda de vacas de corte para produção de bezerros.

TE para uma pecuária mais eficiente

"We must use embryo technology to make advances in genetic gain that will make livestock production more efficient and thus more sustainable. We have to produce more with less, and using embryo technology is the only way to do that on a timeline that will make a difference to the planet." – Rebecca Krisher, Presidente da International Embryo Technology Society.

("Devemos utilizar a tecnologia dos embriões para obter avanços no ganho genético que tornará a produção pecuária mais eficiente e, portanto, mais sustentável. Temos que produzir mais com menos, e usar a tecnologia embrionária é a única maneira de fazer isso em um cronograma que fará a diferença para o planeta” - tradução livre)

Como mencionado anteriormente, a TE permite que fêmeas geneticamente superiores produzam um número maior de descendentes altamente produtivos do que ocorreria em programas de reprodução convencionais. O nascimento do primeiro bezerro produzido por TE aconteceu em 1950 (Willett et al., 1951) e atualmente mais de 1 milhão de embriões bovinos são transferidos a cada ano em todo o mundo, com destaque para o Brasil (Viana, 2022).

O potencial da TE foi demonstrado não apenas pela geração de vacas exibindo recordes de produção de leite (por exemplo, a vaca Ever-Green-View-My-Gold-ET produziu 35.218 kg de leite, 905 kg de gordura e 934 kg de proteína em uma única lactação), mas também pela seleção de touros capazes de gerar descendentes altamente produtivos e cujo sêmen é disponibilizado para realizar IA nos rebanhos (Sommer e Youngs, 2016).

Adicionalmente, a TE pode ser utilizada como opção ao uso do sêmen sexado para produzir animais de corte no sistema ”Beef on dairy”. Nesse caso, embriões (sexados ou não) oriundos de raças de corte podem ser transferidos nas vacas leiteiras e obter bezerros puros, mais adequados para a produção de carne.

Teste genômico

O teste genômico é uma ferramenta que complementa e otimiza os resultados das tecnologias de IA e TE (Georges et al., 2019). Ele permite examinar a composição genética de um animal e identificar marcadores moleculares de interesse econômico, permitindo a previsão do potencial genético do animal em características como ganho de peso, produção de leite, idade ao primeiro parto, entre outros.

O teste consiste em fazer a leitura do DNA nos blocos de construção do DNA (nucleotídeos) e localizar alterações em uma única base na molécula de DNA em comparação com um genoma de referência (Figura 1). A substituição de um único nucleotídeo (A,T,C,G) por outro, em um determinado local do DNA é chamada de polimorfismo de nucleotídeo único (SNP), e os geneticistas correlacionaram estatisticamente cada SNP com o desempenho animal (crescimento, resistência a doenças, qualidade da carne, produção de leite, idade ao primeiro parto, entre outros).

Para identificar SNPs, o DNA pode ser extraído de um folículo capilar ou de uma pequena gota de sangue e então carregado em um chip SNP (também chamado de microarray de DNA), onde milhares de SNPs são testados simultaneamente (por exemplo, um chip SNP de 50K testa 50.000 fragmentos de DNA diferentes para SNP).

Figura 1. Representação de um polimorfismo de nucleotídeo único (SNP).

^{Fonte: Genetic Science Learning Center (https://learn.genetics.utah.edu/ content/precision/snips)}

A informação genética adquirida do chip SNP é usada para calcular valores genéticos estimados (EBVs) que são usados na elaboração de índices utilizados na seleção de vacas, como por exemplo o Mérito Líquido (Net Merit, ou NM$) usado na indústria leiteira dos EUA.

O NM$ prevê o lucro líquido, expresso em dólares americanos, ao longo da vida média de um animal. O NM$ classifica os animais leiteiros por meio de uma fórmula que leva em consideração uma combinação de características que são genética e economicamente importantes para os rebanhos leiteiros. A contribuição genética de diversas características, como produção de leite, conformação, saúde e aptidão física, são levadas em consideração. As características são ponderadas com base no seu impacto genético na rentabilidade da exploração leiteira.

O NM$ foi desenvolvido em 1994 por geneticistas do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA) e é atualizado periodicamente com novas características e as mais recentes pesquisas e valores econômicos (Figura 2). Nem todas as características são calculadas para todas as raças. Por esse motivo, a fórmula do NM$ difere ligeiramente entre as raças. 

Figura 2. Valores relativos às características genéticas incluídas no NM$ 2021 para a raça Holandesa.

^{Fonte: Council on Dairy Cattle Breeding (https://usacattlegenetics.com/national-genetic-evaluations/net-merit-indices/)}

Os testes genômicos também têm sido muito úteis para identificar portadores de genes recessivos (ocultos) que afetam a fertilidade e a saúde animal.

Edição do genoma do gado

Uma tecnologia relativamente nova que oferece enorme potencial para a pecuária bovina é a chamada “edição do genoma“ (Menchaca, 2021). A edição do genoma refere-se ao processo de modificar o DNA dos animais no intuito de fazer alterações precisas no genoma, adicionando, removendo ou modificando genes específicos.

Existem diferentes abordagens para a edição do genoma do gado, sendo as mais conhecidas as técnicas CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) e ZFNs (Zinc Finger Nucleases). O princípio de funcionamento dessas técnicas é semelhante. Elas utilizam enzimas que atuam como uma "tesoura molecular" para cortar o DNA em locais específicos. Uma vez realizados os cortes no DNA, o sistema de reparo das células é ativado. É possível, então, introduzir alterações no genoma na hora de reparar o corte, tais como adicionar, substituir ou remover genes, dependendo do objetivo desejado.

Deve-se enfatizar que muitos dos processos envolvidos na edição do genoma da pecuária são demorados e, atualmente, ineficientes. Há uma série de etapas e variáveis biológicas imprevisíveis, incluindo coleta e maturação de gametas, introdução de reagentes de edição, clonagem e transferência de embriões para receptoras sincronizadas, todas com suas próprias limitações e restrições (Figura 3). 

Figura 3. Etapas para a produção de gado após edição do genoma por meio de transferência nuclear de células somáticas (SCNT) ou edição de zigoto. 

O esquema mostra as etapas típicas envolvidas para produzir animais homozigotos por clonagem SCNT de células somáticas selecionadas e editadas pelo genoma (setas amarelas) ou injeção citoplasmática (CPI)/eletroporação (EP) de zigotos (setas roxas) com edição de componentes do genoma.Fonte: Bishop e Van Esnennaam, 2020.

A complexidade e as ineficiências associadas a muitos destes processos fazem com que a edição do genoma do gado esteja longe de ser uma rotina nos dias de hoje. Mesmo assim, é cada vez mais frequente o nascimento de animais com características genéticas desejáveis a partir  de uma alteração genômica intencional. A Figura 4 ilustra um exemplo de edição genica para a produção de vacas knockout livres do gene que codifica a proteína beta-lactoglobulina (BLG) no DNA visando a produção de leite hipoalérgico.

Figura 4. Geração e identificação da vaca knockout bialélica livre do gene BLG no DNA.

(A) Fluxograma que descreve a metodologia usada para gerar vacas com DNA livre do gene BLG por mRNA de ZFNs e SCNT. O mRNA foi transcrito in vitro do plasmídeo BLG-ZFNs, e a linhagem celular BFF foi derivada de um feto de vaca Holandesa com 46 dias de idade. As células BFF foram transfectadas com ARNm de BLG-ZFN utilizando Neocleofector. Após 24-48 horas, a diluição limitante foi usada para formar colônias unicelulares a uma concentração celular de aproximadamente 500 células/placa (10 cm²). As colónias unicelulares foram geradas após cultura durante mais 7 a 10 dias. As colônias unicelulares positivas foram identificadas por sequenciamento e como doadoras para realizar NT para gerar a vaca knockout bialélica com DNA livre de BLG. (B) Seção do gene BLG alvo de ZFNs. A região visada pelas ZFNs estava em E1. A sequência de DNA do sítio de ligação primária para cada ZFNs está colorida em vermelho. Em azul estão os locais de corte clivados por dimerização dos domínios da nuclease FokI. (C) Identificação da vaca alvo de ZFNs. A análise da sequência revelou que a vaca clonada era um mutante bialélica no locus BLG (-17 pb/−16 pb). (D) Fotografia da vaca mutante bialélica #111027 aos 10 meses de idade. Fonte: Sun et al., 2018.

 

Além de vacas que produzem leite hipoalérgico, já foram produzidos bovinos com genoma editado para a remoção de chifres (gene mocho) para aumento da musculatura (gene da miostatina) e aumento da tolerância ao calor (gene SLICK) (Bishop e Van Esnennaam, 2020; Rodriguez-Villamil et al. 2021).

Em março de 2022, após uma revisão de ensaios de segurança, a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA afirmou que o gado que possuía o locus SLICK editado era considerado de “baixo risco” no que diz respeito à segurança alimentar (FDA, 2022). Esta determinação foi feita em parte porque o procedimento utilizou um gene que ocorre naturalmente em algumas raças de gado e resultou em um genótipo equivalente àquele que poderia ser alcançado ao longo do tempo usando o melhoramento convencional. Da mesma forma, o gene mocho editado não teve influencia no crescimento, saúde, desenvolvimento ou composição da carne do gado (Trott et al., 2022).

Em síntese, a edição do genoma em bovinos pode ser usada para melhorar características desejáveis, como resistência a doenças, habilidades de adaptação a diferentes ambientes, qualidade da carne, produção de leite, entre outros. Além disso, a edição genômica também pode ser utilizada para reduzir a suscetibilidade a doenças genéticas e melhorar a saúde e o bem-estar dos animais.

A serie de tecnologias reprodutivas e genéticas aqui descritas fornece um caminho através do qual a produção sustentável de alimentos de origem animal pode ser alcançada. Estas tecnologias representam práticas inteligentes de produção sustentável, necessárias para disponibilizar ao consumidor alimentos de origem animal, componentes essenciais para uma dieta humana saudável e equilibrada.

Entretanto, é preciso ter em mente que o conceito de sustentabilidade engloba três componentes de importância equivalente: impacto ambiental, viabilidade económica e aceitabilidade social. Um desequilibro nesses fatores pode levar uma determinada tecnologia reprodutiva a ser considerada como não sustentável. De pouco adianta que os animais vivam de acordo com sua condição natural no campo, alimentando-se de capim ao ar livre, ou confinados sem sofrimento, preservando o meio ambiente e gerando alimentos saudáveis e seguros, se as expectativas do consumidor não forem atendidas.

Um exemplo da relevância dos consumidores na aceitação de determinadas práticas ou uso de tecnologias (especificamente, o emprego de hormônios) no processo de produção animal foi recentemente apresentada na Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Tecnologia de Embriões  (Bó e Menchaca, 2023).

A discussão girou em torno do uso do estradiol como componente básico nos protocolos hormonais destinados a realizar a inseminação artificial em tempo fixo (IATF). Essa tecnologia representou a maior revolução ocorrida no manejo reprodutivo da pecuária, com enorme impacto em muitos países. No Brasil, por exemplo, graças à IATF o número de matrizes inseminadas passou de 5,8% em 2002 para algo em torno de 23,4% em 2021 com impacto significativo na produção e geração de empregos (Baruselli et al., 2022). 

Entretanto, a partir de 2006 a União Europeia (UE) proibiu o uso do estradiol em animais sob o argumento que o público se opõe ao uso desse hormônio, mesmo sem existir evidencias científicas suficientes sobre o efeito deletério do estradiol quando aplicado na dose estabelecida para o controle da reprodução (Lane et al., 2008). Como consequência, os produtores que pretendam abastecer com carne, leite e derivados os países da UE devem procurar alternativas ao uso de hormônios proibidos pela EU. 

No mesmo contexto, a maior barreira para uma utilização mais ampla de alimentos oriundos de animais submetidos à edição genica não é técnica, mas reside na compreensão e aceitação do público consumidor. 

Portanto, a fim de maximizar o potencial impacto positivo das tecnologias genéticas e reprodutivas na produção pecuária sustentável é importante realizar estudos adicionais direcionados a avaliar o risco à saúde decorrente do consumo de alimentos derivados de animais submetidos essas tecnologias. Nesse contexto, a FDA dos EUA está investindo recursos junto as universidades daquele pais para a criação de Centros de Pesquisa destinados a promover a aplicação segura da edição genética (alterações genômicas intencionais ) na pecuária para melhorar a sustentabilidade da agricultura, segurança alimentar, saúde animal e a saúde pública (Lederhouse. 2024).

Igualmente importante, existe a necessidade de os atores da indústria animal estabelecer mecanismos eficientes de comunicação destinados a informar os consumidores sobre os ganhos ambientais, bem como a inocuidade dos alimentos produzidos utilizando as tecnologias acima descritas.

Texto adaptado do artigo Reproductive technologies for sustainable livestock production, do Prof. Curtis R Youngs, da Iowa State University (Youngs, 2023).

Referências bibliográficas