ligação=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Petroleum_sample.jpg|miniaturadaimagem|Petróleo bruto, uma substância biogênica transformada. ligação=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hevea_gum_dripping_in_a_cup.jpg|miniaturadaimagem|Goma natural, uma secreção da seringueira. Uma substância biogênica é um produto fabricado por ou proveniente de formas de vida. Embora o termo originalmente se referisse especificamente a compostos metabólitos que apresentavam efeitos tóxicos sobre outros organismos, ele evoluiu para abranger quaisquer constituintes, secreções e metabólitos de plantas ou animais. No contexto da biologia molecular, as substâncias biogênicas são denominadas biomoléculas. Elas geralmente são isoladas e medidas por meio de técnicas de cromatografia e espectrometria de massa. Além disso, a transformação e a troca de substâncias biogênicas podem ser modeladas no ambiente, especialmente seu transporte em cursos d’água.
A observação e a medição de substâncias biogênicas são particularmente importantes nas áreas de geologia e bioquímica. Uma grande proporção de isoprenoides e ácidos graxos em sedimentos geológicos deriva de plantas e clorofila, podendo ser encontrados em amostras que remontam ao Pré-Cambriano. Essas substâncias biogênicas são capazes de resistir ao processo de diagênese nos sedimentos, mas também podem ser transformadas em outros materiais. Isso as torna úteis como biomarcadores para geólogos verificarem a idade, origem e processos de degradação de diferentes rochas.
As substâncias biogênicas vêm sendo estudadas como parte da bioquímica marinha desde a década de 1960, o que envolveu investigar sua produção, transporte e transformação na água, bem como seu possível uso em aplicações industriais. Uma fração significativa dos compostos biogênicos no ambiente marinho é produzida por microalgas e macroalgas, incluindo cianobactérias. Devido às suas propriedades antimicrobianas, elas são atualmente objeto de pesquisa tanto em projetos industriais, como para tintas antivegetativas, quanto na área médica.
História da descoberta e classificação miniaturadaimagem|Sedimento biogênico: calcário contendo fósseis Durante uma reunião da Seção de Geologia e Mineralogia da Academia de Ciências de Nova Iorque em 1903, o geólogo propôs um novo sistema de classificação de rochas em seu artigo “Discussion of and Suggestions Regarding a New Classification of Rocks”. Dentro da subdivisão primária de “rochas endógenas” — rochas formadas por processos químicos — havia uma categoria denominada “rochas biogênicas”, usada como sinônimo de “rochas orgânicas”. Outras categorias secundárias eram rochas “ígneas” e “hidrogênicas”.
Na década de 1930, o químico alemão detectou pela primeira vez substâncias biogênicas no petróleo como parte de seus estudos sobre porfirinas. Com base nessa pesquisa, houve um aumento significativo na década de 1970 na investigação de substâncias biogênicas em rochas sedimentares como parte do estudo da geologia. Esse avanço foi facilitado pelo desenvolvimento de métodos analíticos mais sofisticados e levou a uma maior colaboração entre geólogos e químicos orgânicos para pesquisar compostos biogênicos em sedimentos.
Os pesquisadores também começaram a investigar a produção de compostos por microrganismos no ambiente marinho no início da década de 1960. Em 1975, diferentes áreas de pesquisa haviam se desenvolvido no estudo da bioquímica marinha, entre elas “toxinas marinhas, bioprodutos marinhos e ecologia química marinha”. Em 1994, Teuscher e Lindequist definiram substâncias biogênicas como “compostos químicos sintetizados por organismos vivos e que, se excederem certas concentrações, causam danos temporários ou permanentes ou até a morte de outros organismos por efeitos químicos ou físico-químicos” em seu livro Biogene Gifte. Essa ênfase na toxicidade das substâncias biogênicas deveu-se, em parte, aos ensaios de triagem dirigidos à citotoxicidade usados para detectar compostos biologicamente ativos. A diversidade dos produtos biogênicos foi posteriormente ampliada além das substâncias citotóxicas por meio do uso de ensaios farmacêuticos e industriais alternativos.
No ambiente
Hidroecologia miniaturadaimagem|300x300px|Modelo de movimento de compostos marinhos Ao estudar o transporte de substâncias biogênicas no estreito da Tartária no mar do Japão, uma equipe russa observou que essas substâncias podem entrar no ambiente marinho por meio de fontes externas, transporte dentro das massas d’água ou desenvolvimento por processos metabólicos na própria água. Elas também podem ser consumidas por processos de biotransformação ou pela formação de biomassa por microrganismos. Nesse estudo, as concentrações de substâncias biogênicas, a frequência de transformação e a renovação foram maiores na camada superior da água. Além disso, em diferentes regiões do estreito, as substâncias biogênicas com maior transferência anual foram constantes: O₂, DOC e DISi, que normalmente ocorrem em altas concentrações na água natural. As substâncias biogênicas que tendem a ter menor entrada pelas fronteiras externas do estreito — e, portanto, menor transferência — foram componentes minerais e detríticos de N e P. Essas mesmas substâncias participam ativamente de processos de biotransformação no ambiente marinho e apresentam menor saída anual.
Sítios geológicos miniaturadaimagem|Calcário oncolítico: os oncólitos esferoidais são formados pela deposição de carbonato de cálcio por cianobactérias. Os geoquímicos orgânicos também têm interesse em estudar a diagênese de substâncias biogênicas no petróleo e sua transformação em sedimentos e fósseis. Embora 90% desse material orgânico seja insolúvel em solventes orgânicos comuns — chamado querogênio —, 10% está em forma solúvel e pode ser extraído, permitindo o isolamento de compostos biogênicos. Ácidos graxos saturados lineares e pigmentos apresentam as estruturas químicas mais estáveis e, portanto, são capazes de resistir à degradação durante a diagênese e serem detectados em suas formas originais. No entanto, macromoléculas também foram encontradas em regiões geológicas protegidas. Condições típicas de sedimentação envolvem processos enzimáticos, microbianos e físico-químicos, além de aumento de temperatura e pressão, que levam à transformação de substâncias biogênicas. Por exemplo, pigmentos resultantes da desidrogenação da clorofila ou hemina podem ser encontrados em muitos sedimentos como complexos de níquel. Uma grande proporção dos terpenoides em sedimentos também deriva da clorofila. Da mesma forma, ácidos graxos saturados lineares descobertos no xisto betuminoso de Messel, no sítio fossilífero de Messel, na Alemanha, provêm de material orgânico de plantas vasculares.
Além disso, alcanos e isoprenoides foram encontrados em extratos solúveis de rochas do Pré-Cambriano, indicando a provável existência de material biológico há mais de três bilhões de anos. Contudo, há a possibilidade de esses compostos orgânicos serem abiogênicos, especialmente em sedimentos do Pré-Cambriano. Embora as simulações de Studier et al. (1968) da síntese abiogênica de isoprenoides não tenham produzido isoprenoides de cadeia longa usados como biomarcadores em fósseis e sedimentos, traços de isoprenoides C₉-C₁₄ foram detectados. Também é possível que cadeias poli-isoprenoides sejam sintetizadas estereosseletivamente com catalisadores como Al(C₂H₅)₃ – VCl₃. No entanto, a probabilidade de esses compostos estarem disponíveis no ambiente natural é baixa.
Medição miniaturadaimagem|366x366px|Separação cromatográfica da clorofila As diferentes biomoléculas que compõem as substâncias biogênicas de uma planta — especialmente aquelas nos exsudatos de sementes — podem ser identificadas utilizando diferentes tipos de cromatografia em ambiente laboratorial. Para perfilamento de metabólitos, utiliza-se cromatografia gasosa-espectrometria de massa para identificar flavonoides como quercetina. Os compostos podem ser ainda mais diferenciados por meio de cromatografia líquida de alta eficiência.
Quando se trata de medir substâncias biogênicas em um ambiente natural, como corpos d’água, um modelo hidroecológico CNPSi pode ser usado para calcular o transporte espacial dessas substâncias, tanto na dimensão horizontal quanto vertical. Esse modelo leva em conta a troca de água e a taxa de fluxo, fornecendo valores de taxas de substâncias biogênicas para qualquer área ou camada da água em qualquer mês. Existem dois principais métodos de avaliação: medição por unidade de volume de água (mg/m³ ano) e medição de substâncias por volume total da camada de água (t de elemento/ano). O primeiro é usado principalmente para observar a dinâmica das substâncias biogênicas e vias individuais de fluxo e transformações, sendo útil para comparar regiões distintas do estreito ou curso d’água. O segundo método é empregado para fluxos mensais de substâncias e deve considerar as variações mensais no volume de água nas camadas.
No estudo da geoquímica, as substâncias biogênicas podem ser isoladas de fósseis e sedimentos por meio de raspagem e trituração da amostra rochosa alvo, seguida de lavagem com 40% de ácido fluorídrico, água e benzeno/metanol na proporção 3:1. Em seguida, as peças rochosas são moídas e centrifugadas para produzir um resíduo. Os compostos químicos são então derivados por meio de várias separações por cromatografia e espectrometria de massa. Contudo, a extração deve ser acompanhada de rigorosas precauções para evitar contaminação por aminoácidos de impressões digitais ou contaminantes de silicone de outros métodos de tratamento analítico.
Aplicações miniaturadaimagem|200x200px|Extratos de cianobactérias inibindo o crescimento de Micrococcus luteus
Tintas antivegetativas Metabólitos produzidos por algas marinhas demonstraram diversas propriedades antimicrobianas. Isso ocorre porque são produzidos pelos organismos marinhos como defesas químicas e, portanto, contêm compostos bioativos. As principais classes de algas marinhas que produzem esses tipos de metabólitos secundários são Cyanophyceae, Chlorophyceae e Rhodophyceae. Produtos biogênicos observados incluem policetídeos, amidas, alcaloides, ácidos graxos, indóis e . Por exemplo, mais de 10% dos compostos isolados de , uma das cianobactérias mais abundantes, apresentam propriedades antifúngicas e antimicrobianas. Além disso, um estudo de Ren et al. (2002) testou furanonas halogenadas produzidas por , da classe Rhodophyceae, contra o crescimento de Bacillus subtilis. Quando aplicadas em concentração de 40 μg/mL, a furanona inibiu a formação de biofilme pela bactéria e reduziu a espessura do biofilme em 25% e o número de células vivas em 63%.
Essas características têm potencial para serem utilizadas em materiais artificiais, como a fabricação de tintas antivegetativas sem produtos químicos prejudiciais ao meio ambiente. Alternativas ambientalmente seguras são necessárias ao tributilestanho (TBT, agente antivegetativo à base de estanho), que libera compostos tóxicos na água e no ambiente e foi proibido em vários países. Uma classe de compostos biogênicos que apresentou efeito significativo contra bactérias e microalgas causadoras de incrustações são os sesquiterpenoides acetilênicos produzidos por (da classe Chlorophyceae), que Smyrniotopoulos et al. (2003) observaram inibindo o crescimento bacteriano com até 83% da eficácia do óxido de TBT. miniaturadaimagem|215x215px|Fotorreator usado para produzir metabólitos de microalgas Pesquisas atuais também visam produzir essas substâncias biogênicas em escala comercial utilizando técnicas de engenharia metabólica. Ao combinar essas técnicas com o design de engenharia bioquímica, algas e suas substâncias biogênicas podem ser produzidas em larga escala em fotobiorreatores. Diferentes tipos de sistemas podem ser usados para obter diferentes produtos biogênicos.