Saiba mais sobre as quatro áreas prioritárias do Programa Global de Incentivo à Pesquisa

Nosso Programa Global de Incentivo à Pesquisa já está aberto. Se você deseja enviar um projeto, mas ainda têm dúvidas sobre como fazer a sua submissão ou quer entender mais sobre as áreas prioritárias de financiamento, temos uma boa notícia para você! O GFI Brasil realizou um workshop para tirar dúvidas gerais sobre o edital do programa e apresentar as quatro áreas prioritárias dessa edição. Você pode assistir aqui ao trecho do workshop onde explicamos cada uma delas. Abaixo, listamos o detalhamento completo das quatro áreas com todas as informações que você pode precisar.

Área prioritária A / Extrusão 2.0: Aprimoramento da extrusão tradicional por meio da inovação de processos e avaliação dos mecanismos de texturização de proteínas 

Plataforma de produção: Plant-based

Setor de tecnologia: Formulação e fabricação de produtos finais

Para obter mais informações, consulte os seguintes recursos:

• GFI’s The science of plant-based meat deep dive: End product formulation and manufacturing
• Technological Review of High-Moisture Extrusion for Creating Whole-Cut Meat Analogs

Pesquisas anteriores financiadas pelo GFI relacionadas a este tópico:

• https://gfi.org/researchgrants/integrating-sensors-into-extrusion/
• https://gfi.org/researchgrants/grantee-page-process-improvement-microstructure-engineering-university-of-guelph/
• https://gfi.org/researchgrants/grantee-page-process-improvement-muscle-like-structures-from-pulse-proteins-university-of-minnesota/
• https://gfi.org/researchgrants/improving-textured-protein/

Desafio atual

Os sistemas de extrusão são relativamente bem estabelecidos. Eles foram dimensionados para alta produção de até 500 kg/h (McClements & Grossmann 2021) e são usados comercialmente com muitas proteínas vegetais. No entanto, existem oportunidades para melhorar a capacidade de processamento e texturização da extrusão.

A análise do GFI antecipando os requisitos de produção de 2030 para carne à base de plantas modelou que, se o mercado de carne à base de plantas atingisse 6% do volume total de produção de carne (25 milhões de toneladas métricas por ano) até 2030, a indústria de carne à base de plantas precisaria operar em menos 800 fábricas com cerca de 2.000 linhas de extrusão em escala comercial a um custo de pelo menos 27 bilhões de dólares. Essas previsões ressaltam a importância de aumentar os investimentos em infraestrutura e aumentar a capacidade e a eficiência da linha de extrusão.

A extrusão pode ser ainda mais otimizada para melhorar especificamente a estrutura da carne à base de plantas. A extrusão é considerada um método de texturização “de cima para baixo”, que estrutura as misturas de biopolímeros aplicando forças externas e tende a produzir fibras na escala milimétrica ou centimétrica (Dekkers et al., 2018), muito maiores do que as fibras micrométricas encontradas nos músculos dos animais (Bomkamp et al., 2021). Inovações no processo de extrusão são necessárias para elevar a carne à base de plantas para alcançar a paridade organoléptica com os cortes convencionais de músculo animal. No entanto, é notoriamente difícil elucidar como as proteínas interagem consigo mesmas e com outros ingredientes sob várias condições de temperatura, umidade e cisalhamento.

Solução proposta

Para tornar a carne vegetal uma solução ambiental escalável, a texturização de bases proteicas de alta qualidade deve ocorrer em capacidade de alto rendimento e fornecer estratégias inovadoras para replicar a textura e a aparência visual de cortes musculares convencionais de animais. Inovações recentes em extrusão demonstraram a promessa de que ela pode ser ainda mais otimizada para atender às demandas do consumidor. Os pesquisadores estão criando software juntamente com o uso de processamento de matriz exclusivo, otimizando geometrias de matriz e aplicando matrizes rotativas para aprimorar a estrutura da proteína vegetal extrudada. A indústria de carne à base de vegetais precisa urgentemente de mais inovações como essas. Estudos avaliando os mecanismos subjacentes para a formação de estruturas de proteínas vegetais fibrosas podem ajudar os pesquisadores a otimizar estrategicamente a extrusão.

Encorajamos propostas que demonstrem a viabilidade de inovações de processamento de extrusão em escala piloto e incluam um ciclo de vida ou análise técnico-econômica da metodologia de processamento.

As propostas bem-sucedidas articularão:

• Como melhorar o processo de extrusão ou a análise dos mecanismos do processo por meio de um novo método. Propostas focadas no uso de métodos tradicionais de extrusão para análise de proteínas vegetais ou outros ingredientes não serão aceitas sem esta explicação;
• Quais proteínas vegetais e ingredientes serão avaliados;
• Como serão demonstradas as características sensoriais, funcionais ou nutricionais do produto final;
• Qual é o maior desafio previsto para escalar a metodologia?

Área prioritária B / Desenvolver ferramentas e conhecimento para promover a proliferação e diferenciação de células de frutos do mar

Plataforma de produção: Carne cultivada

Setor de tecnologia: Desenvolvimento de linhagem celular, Meios de cultura celular

Para obter mais informações, consulte os seguintes recursos:

• ​​Workshop summary: Promoting stemness and proliferation in fish cell cultures
• Solution: Promoting stemness and proliferation in fish cell cultures
• Solution: Species-specific research toolkits for cultivated meat-relevant species
• Solution: Species-specific genomic studies enabling assay development for regulatory standards and cell line optimization

Pesquisas anteriores financiadas pelo GFI relacionadas a este tópico:

• https://gfi.org/researchgrants/seafood-cell-lines-mote-marine-laboratory/
• https://gfi.org/researchgrants/ac-cell-lines-myosatellite-lines-from-atlantic-salmon-tufts-university/
• https://gfi.org/researchgrants/differentiation-and-cell-lines-for-cultivated-carp/
• https://gfi.org/researchgrants/grantee-page-cell-culture-media-machine-learning-for-fish-growth-media-virginia-tech/
• https://gfi.org/researchgrants/low-cost-differentiation-medium-for-seafood-culture/

Desafio atual

Relatos de linhagens de células-tronco miogênicas, adipogênicas, mesenquimais (MSC) e células-tronco embrionárias (ESC) de peixes e outros frutos do mar na literatura são relativamente escassos, os tempos de duplicação dessas células tendem a ser maiores em comparação com células de mamíferos. Muitas linhagens de células de peixes têm tempos de duplicação de vários dias, enquanto, por exemplo, o tempo de duplicação da linhagem de mioblastos de camundongos C2C12 é de aproximadamente 20 horas. Os longos tempos de duplicação representam um grande desafio tanto para os esforços de pesquisa de frutos do mar cultivados em escala de laboratório quanto para os que visam expansão comercial.

Além dos desafios impostos pelo crescimento lento das células, formulações de meios de cultivo que evitem o uso de soro e outros componentes derivados de animais são necessárias para que frutos do mar cultivados se tornem economicamente viáveis. O crescimento sem soro de células medaka foi obtido usando FGF2. No entanto, as taxas de crescimento nessas condições foram mais lentas do que o controle contendo soro, sugerindo que o FGF2 substituiu apenas parcialmente o soro. Mesmo na presença de soro, a diferenciação espontânea é observada em muitas células pluripotentes de de peixes (Chen et al. 2003a; Chen et al. 2003b; Parameswaran et al. 2007). A diferenciação prematura apresenta um desafio adicional para a produção de células em larga escala, esgotando o pool de células proliferativas.

A dificuldade  para solucionar esses desafios torna-se ainda maior quando verificamos a  falta de ferramentas de pesquisa desenvolvidas especificamente  para espécies de peixes que são relevantes para alimentação, incluindo anticorpos para identificação de marcadores celulares, por exemplo. Da mesma forma, o conhecimento acerca dos tipos celulares existentes  no músculo dos peixes é um ainda incompleto. Entender melhor as diferenças entre tipos de células semelhantes, a forma como elas interagem ao longo do desenvolvimento, quais são os melhores marcadores para cada tipo celular  e os impactos sensoriais que cada tipo de célula terá após a maturação permitirá o progresso da área.

Desafios semelhantes existem para os invertebrados aquáticos, que em muitos aspectos receberam ainda menos atenção de pesquisa do que os peixes.

Solução proposta

Os pesquisadores podem empregar várias estratégias que resultem em uma proliferação mais rápida e assertiva de células de frutos do mar que são  relevantes para a alimentação. Estes estratégias podem ser amplamente categorizados nas etapas de produção descritas a seguir e poderão ser selecionadas pelos pesquisadores  com base na etapa com a qual eles mais se alinham:

Desenvolvimento e otimização da linhagem celular: Estabelecer e otimizar   linhagens de células obtidas de animais doadores (peixes e outros frutos do mar relevantes para a alimentação)  por manipulação direta ou seleção de fenótipos desejáveis dentro de uma população heterogênea para obtenção de células com características desejadas (ex: tempo de duplicação reduzido, que mantenham o balanço entre quiescência, proliferação e diferenciação, etc.).

Otimização da formulação do meio de cultura e condições de cultura para proliferação:

Desenvolver e/ou otimizar formulações de meio de cultivo adaptadas para o crescimento de células de frutos do mar com o objetivo de melhorar as taxas de proliferação e outras características relevantes do ponto de vista da produção em escala de frutos do mar cultivados. 

Diferenciação: Entender melhor o potencial de diferenciação de diferentes  tipos de células de frutos do mar, identificar potenciais  tipos de células iniciadoras do processo, investigar células de cultivo simples, como fibroblastos, com potencial de transdiferenciação  ou aquisição de características de células relevantes para produção de carne (Tsurukawa & Shimada 2022) (Saad et al. 2023), são conhecimentos que podem contribuir muito com a otimização das linhagens e formulações de meio.  

No entanto, todas as três estratégias, e especialmente aquelas que dependem da transdiferenciação, podem ser difíceis de investigar adequadamente devido à falta de ferramentas necessárias e informações incompletas sobre as células. Assim, muitos dos primeiros passos para melhorar o desempenho das culturas de células de frutos do mar podem consistir principalmente em pesquisa básica sobre a identidade do tipo de célula (por exemplo, Farnsworth et al. 2020) e no desenvolvimento de ferramentas de pesquisa. Assim, encorajamos propostas que incluam investigações básicas sobre a identidade do tipo celular ou o desenvolvimento de novas ferramentas, seja como foco principal da proposta ou como meio de possibilitar outros experimentos.

As propostas bem-sucedidas articularão:

• Como a abordagem proposta melhorará os tempos de duplicação, a eficiência metabólica das células, a disponibilidade da linhagem, a redução dos custos de produção do meio, evitar a diferenciação espontânea ou reduzir o uso de soro e outros componentes do meio que sejam derivados de animais.
• Quais ferramentas de pesquisa (linhagens celulares, anticorpos, sequências genômicas anotadas, etc.) são necessárias para a abordagem proposta, se já estão disponíveis e, se não, como serão geradas.
• Se novas ferramentas de pesquisa forem geradas no projeto, como elas serão disponibilizadas para a comunidade científica de frutos do mar cultivados.

Nota: Esta área prioritária de financiamento é limitada a projetos focados principalmente em peixes ou invertebrados aquáticos, embora reconheçamos que muitos dos mesmos desafios existem para outros grupos de espécies. Abordagens comparativas que incluam outras espécies podem ser consideradas, mas estudos em que o foco principal são animais terrestres não são elegíveis para esta prioridade de financiamento.

Área prioritária C / Coleta e curadoria de dados sobre o desenvolvimento de modelos de redes metabólicas em escala genômica para otimizar a formulação de matérias-primas e taxa de conversão alimentar

Plataforma de produção: Carne cultivada, Fermentação

Setor de tecnologia: Desenvolvimento de cepas hospedeiras, linhas celulares, meios de cultura celular, matérias-primas

Para obter mais informações, consulte os seguintes recursos:

• Romero & Boyle, 2023
• Mapping animal cell metabolisms 
• Suthers & Maranas, 2020
• Huang et al, 2020
• Cultivated Meat Modeling Consortium

Pesquisas anteriores financiadas pelo GFI relacionadas a este tópico:

• N/A

Desafio atual

O meio de cultura de células é atualmente o principal fator que contribui para o  custo e impacto ambiental da produção de carne cultivada. Análises de  ciclo de vida e avaliações tecno-econômicas sobre a produção em escala de carne cultivada indicam que esse problema pode ser minimizado se os meios de cultivo forem usados com eficiência , resultando em cenários em que a produção de carne cultivada pode ser competitiva em termos de custos e baixo impacto ambiental (Sinke et al. 2023; Vergeer et al, 2021; Tuomisto et al, 2022; Humbird, 2021). Nesses estudos, assume-se que o metabolismo das células  é otimizado para a produção da biomassa e que os meios são, ao menos,  parcialmente otimizados para os requisitos metabólicos de cada linhagem celular, alcançando assim o uso eficiente do meio. Assumindo essas condições  as taxas de conversão alimentar tornam-se mais baixas. Assim,  os nutrientes do meio são convertidos de forma mais eficiente, e com baixo desperdício, em biomassa celular.

No entanto, a maioria das pesquisas com carne cultivada feitas até o momento ainda não demonstraram essas condições na prática. Em vez disso, as pesquisas estão focadas no estabelecimento de linhagens celulares contínuas e na derivação de meios isentos de soro. Na primeira fase do desenvolvimento de meios sem soro, que já está em andamento na comunidade científica, a redução de custos de produção é atingida  principalmente por meio da utilização de componentes do meio de qualidade alimentar.  Substituindo componentes caros de grau farmacêutico por versões mais acessíveis e aumentando em escala a produção de fatores de crescimento (Swartz , 2023). Na segunda fase de desenvolvimento de meios de cultivo, que ainda precisa  ser realizada, a redução de custos de produção de carne cultivada se dará  principalmente pelo fornecimento  eficiente de energia para as células usando  componentes de meio de cultivo de baixo custo e  da maneira mais metabolicamente eficiente possível. Espera-se que esta segunda fase de desenvolvimento de meios para carne cultiva  represente um desafio de longo prazo para a indústria. Esse tipo de desafio também é frequentemente visto no desenvolvimento do processo de fermentação microbiana, mas estes já têm sido mais extensivamente explorados.

Solução proposta

Para formular meios e usá-los com eficiência é necessário uma profunda compreensão dos requisitos metabólicos de uma célula. Uma maneira de entender o metabolismo celular é criar um modelo metabólico em escala genômica (GEM). Trata-se de um modelo matemático capaz de mapear o metabolismo celular, incluindo o fluxo de metabólitos e gargalos nas vias metabólicas. Alguns organismos já possuem rascunhos de GEMs, mas requerem validação experimental adicional (por exemplo, salmão, bovino, camarão e frango). Outros GEMs já foram validados experimentalmente tornando-os mais robustos , como por exemplo modelos experimentais como células CHO, zebrafish. Esses GEMs existentes podem guiar a criação de novos GEMs, especialmente quando estes  organismos se relacionam em um nível evolutivo e compartilham vias metabólicas e enzimas.

Em geral, um pré-requisito para criar e aprimorar GEMs inclui a coleta de dados upstream, como sequenciamento e anotação de genoma, estudos de  metabolômica, transcriptômica e proteômica. Embora alguns desses dados, como anotações de genoma, já existam para espécies usadas na produção de alimentos convencionais, muitos outros dados estão incompletos e precisarão ser criados e curados para as espécies e células usadas na carne cultivada. Outro tipo de dado crítico para a engenharia metabólica da carne cultivada é a composição da biomassa das células no estado metabólico estacionário, que inclui medidas cuidadosas de massa de todas as macromoléculas celulares, incluindo ácidos nucléicos, proteínas, lipídios, carboidratos, coenzimas e metabólitos específicos da espécie..

Garantir a precisão desses dados pode resultar em GEMs que podem prever e validar experimentalmente resultados específicos, como taxa de crescimento ou acúmulo de biomassa, em conjunto com técnicas como análise de balanço de fluxo (FBA), análise de fluxo metabólico (MFA) e análise de gasto de meio (SMA). Coletivamente, essas técnicas podem informar os pesquisadores sobre como a energia é utilizada em diferentes células,  qual a melhor forma de manipular ou otimizar a utilização de energia ou a composição do meio para atingir um determinado objetivo, como por exemplo, o aumento do acúmulo de biomassa. Os GEMs foram implementados com sucesso dessa maneira em outras indústrias para otimizar matérias-primas para uma variedade de objetivos finais (Huang, 2020; Tejera, 2020).

Em resumo, o meio pode ser formulado e otimizado para uso eficiente, estabelecendo um pipeline de engenharia metabólica. Este pipeline começa com a coleta de dados específicos para informar a criação de GEMs adaptados às espécies, tipos de células e, eventualmente, linhagens específicas de células usadas para produção de carne cultivada. Os GEMs podem ser continuamente refinados por meio de técnicas analíticas downstream, como análise de balanço de fluxo, análise de meio gasto e análise de fluxo metabólico. Finalmente, GEMs robustos podem ser adotados por pesquisadores na academia e na indústria para formular e otimizar meios sob medida para a produção de carne cultivada.

Incentivamos propostas de carne cultivada ou fermentação microbiana que possam garantir a  acessibilidade de quaisquer conjuntos de dados e modelos relevantes de maneira ampla, depositando-os em bancos de dados ou repositórios abertos. Propostas que incluam validação experimental com componentes de meio de qualidade alimentar e modelagem de custos são incentivadas.

As propostas bem-sucedidas irão articular claramente:

• Como o projeto proposto pode contribuir para preencher as lacunas de conhecimento, melhorar os processos de produção ou reduzir os custos da produção de carne cultivada ou fermentação;
• O organismo, espécie, tipo de célula (se relevante) e/ou estado celular (por exemplo: proliferação, diferenciação) que será modelado, bem como, a justificativa da sua  seleção;
• Até que ponto os dados e modelos existentes serão aproveitados no projeto vs. novos dados e modelos que serão criados;
• A metodologia usada para coletar os dados e construir os modelos e onde esses dados e modelos serão depositados;
• Um plano exequível para validação experimental de modelos.

Área prioritária D / Prospecção de matérias-primas viáveis para produção de alimentos alternativos por meio de fermentação de precisão e fermentação de biomassa

Plataforma de produção: Fermentação

Setor de Tecnologia: Formulação de Meio; Projeto de Bioprocessos; Matérias-Primas, Ingredientes, Insumos

Para obter mais informações, consulte os seguintes recursos:

• GFI’s innovation priority page for Fermentation Feedstocks

Pesquisas anteriores financiadas pelo GFI relacionadas a este tópico:

• Converting wastes to high-value food-grade lipids by fermentation (waste-to-lipids): an open source techno-economic analysis and lab scale proof of concept.

Desafio atual

Atualmente, a grande maioria dos processos de fermentação utilizam açúcares simples como fonte de carbono para o crescimento e metabolismo microbiano. No entanto, o uso de fontes de açúcares simples e utilizadas para alimentação  coloca os produtos protéicos alternativos derivados da fermentação em competição com outras fontes alimentares. Além disso, o progresso na tecnologia de fermentação está levando a uma crescente bioeconomia, onde muitos produtos de base biológica são produzidos por fermentação. A competição potencial entre commodities de base biológica desafiará a sustentabilidade, as cadeias de suprimentos e a relação custo-benefício da bioeconomia (Lips, 2021).

Matérias-primas alternativas têm se mostrado promissoras de várias formas nos últimos anos. As fermentações gasosas usam fontes de carbonos simples, como metano ou monóxido de carbono, para alimentar microorganismos que produzem biomassa e moléculas de alto valor. Já os fungos demonstraram a capacidade de crescer em uma variedade de resíduos das indústrias alimentícia e resíduo florestal. Uma das principais espécies usadas em proteínas alternativas, Komagataella phaffii (anteriormente Pichia pastoris), foi originalmente desenvolvida para uso industrial devido à sua capacidade de metabolizar eficientemente o metanol retirado da indústria do petróleo (Cregg, 2012). Ainda assim, há uma necessidade e espaço para inovação no desenvolvimento e diversificação de matérias-primas relevantes para Proteínas Alternativas.

Os microrganismos fermentadores também usam nitrogênio como um bloco de construção essencial para biomassa e fermentação de precisão de proteínas e outros ingredientes. A maioria das matérias-primas de nitrogênio no mundo existe como amônio, uma fonte de nitrogênio criada pelo processo Haber-Bosch. Este processo de fabricação requer metano e é intensivo em energia, e há um desejo de desacoplar a produção alternativa de proteína de uma fonte de nitrogênio intensiva em carbono e energia. Como alternativa, o uso de matérias-primas produzidas biologicamente, como hidrolisados bacterianos ou vegetais, foi demonstrado em muitas fermentações (Zhang et al, 2022). As matérias-primas de nitrogênio que usam fluxos secundários com alto teor de nitrogênio bioprocessados e retiradas de uma variedade de indústrias e fontes têm o potencial de fornecer um nitrogênio sustentável e de baixo custo desacoplado do processo Haber-Bosch.

Solução proposta

Para dimensionar matérias-primas alternativas para a produção de proteínas alternativas derivadas da fermentação, é necessário adotar matérias-primas alternativas seguras e exclusivas para alimentos. Os desafios à segurança alimentar, especialmente de fluxos secundários agrícolas ou off-takes, podem assumir a forma de toxinas microbianas ou bioquímicas, como furfural ou aflatoxina. Estratégias de remediação ou prevenção para garantir a produção de proteínas alternativas seguras para alimentos a partir de fermentações eficientes são necessárias para a adoção e uso generalizado dessas matérias-primas alternativas. Inovações no fornecimento de carbono e nitrogênio para fermentação são de alta prioridade e interesse. As matérias-primas ideais seriam de baixo custo, amplamente disponíveis e compatíveis com plataformas alternativas de produção de proteínas nos estágios de comercialização e pesquisa e desenvolvimento.

Encorajamos propostas que demonstrem a viabilidade de inovações de matérias-primas alternativas em condições relevantes de fermentação e/ou em escala piloto e incluam um ciclo de vida ou análise técnico-econômica da metodologia de processamento.

As propostas bem-sucedidas articularão:

• Quais microrganismos e matérias-primas serão testados/caracterizados/desenvolvidos,
• O potencial para um produto derivado de fermentação seguro para alimentos usando o bioprocesso,
• As vantagens de preço, sustentabilidade, disponibilidade da matéria-prima em relação ao estado atual da arte,
• Evidência de compatibilidade metabólica entre o microrganismo e a matéria-prima, e
• Os desafios técnicos e biológicos associados à adoção industrial do bioprocesso.

Todas as referências citadas acima podem ser encontradas no edital original: https://gfi.org/wp-content/uploads/2023/01/Research-Grant-Program-RFP-2023.pdf

Sobre o Programa:

O Programa Global de Incentivo à Pesquisa (GFI Research Grant Program) vai receber propostas até dia 21 de setembro. Neste ano, as pesquisas serão aprovadas por meio do mecanismo Field Catalyst, que consiste em financiamentos de projetos de até US$250.000 e 24 meses de duração. Os candidatos podem solicitar US$100.000 adicionais para fazer parceria com pesquisadores externos (que não receberam financiamento do GFI antes) e/ou partes interessadas do setor.

As propostas podem ser criadas e submetidas até dia 21 de setembro de 2023 através do nosso portal de candidaturas. Será necessário criar um perfil de usuário para acessar o formulário de inscrição. O edital completo, com todas as orientações e as demais informações podem ser acessadas neste link.

Aguardamos sua proposta!