A edição genética de insetos pragas pode ajudar a reduzir a dependência de inseticidas e evitar perdas catastróficas em várias indústrias agrícolas.
Steve McIntyre, um vinicultor da Califórnia Central, sabia sobre a doença de Pierce. Mas isso não o preparou para o que viu quando visitou a plantação de frutas cítricas e abacates de seu irmão no sul da Califórnia em 1998. A doença, que faz com que as videiras murchem e as uvas murchem como balões velhos, já existia há muito tempo na Califórnia. Mas a infecção que ele viu em um campo adjacente ao de seu irmão parecia diferente.
"Foi devastador", diz McIntyre. Os blocos de uvas pareciam ter sua irrigação totalmente cortada. No voo para casa, McIntyre pensou em ligar para um corretor de imóveis para vender seu terreno. Suas próprias vinhas, ele pensou, estavam condenadas.
Menos de uma década depois de ter sido identificado pela primeira vez na Califórnia, um inseto invasor chamado de “cigarrinha de asas vítreas” (Homalodisca vitripennis) transformou e espalhou a bactéria que causa a doença de Pierce (Xylella fastidiosa) de um incômodo em um pesadelo. Este inseto alongado, com asas de vitrais tingidas de vermelho, é mais rápido e voa mais longe do que os demais insetos nativos do estado, e pode se alimentar de cultivares mais resistentes. A chegada deles, que o estado suspeita ter ocorrido no final da década de 1980, potencializou a propagação da doença.
Graças a inspeções e pulverização de inseticidas, o estado conseguiu confinar o invasor ao sul da Califórnia. Mas a doença ainda não tem cura e corre o risco de se agravar e se tornar mais difícil de combater devido às mudanças climáticas.
Os pesquisadores pretendem agora agregar tecnologia de ponta ao arsenal californiano contra essa praga, modificando o genoma da cigarrinha de asas vítreas para que ela não possa mais disseminar a bactéria.
Tal solução é possível graças à tecnologia de edição de genes CRISPR, que tornou cada vez mais fácil modificar os genes de qualquer organismo. A técnica tem sido usada em experimentos de imunoterapia contra o câncer, reprodução de maçãs e - controversamente - em embriões humanos. Agora, um número crescente de pesquisadores está aplicando-o a pragas agrícolas, com o objetivo de controlar uma série de insetos que, juntos, destroem cerca de 40% da produção agrícola global a cada ano. Se bem-sucedidos, esses esforços podem reduzir a dependência de inseticidas e oferecer uma alternativa às culturas geneticamente modificadas.
Por enquanto, esses insetos editados por genes estão trancados em laboratórios ao redor do mundo, mas isso está prestes a mudar. Este ano, uma empresa dos EUA espera iniciar testes em estufa, em colaboração com o Departamento de Agricultura dos EUA (USDA), de insetos que danificam frutas que se tornaram estéreis usando CRISPR. Ao mesmo tempo, cientistas de instituições governamentais e privadas estão começando a aprender mais sobre genética de pragas e fazer edições em mais espécies.
O uso de organismos editados por genes permanece controverso, e pragas agrícolas editadas ainda não foram aprovadas para liberação generalizada nos Estados Unidos. Um processo regulatório potencialmente longo e em constante evolução ainda está por vir. Mas os cientistas dizem que o CRISPR inaugurou um momento crítico para o uso da edição de genes em insetos que afetam a agricultura, com mais descobertas no horizonte.
"Até o CRISPR, a tecnologia simplesmente não existia", diz Peter Atkinson, entomologista da Universidade da Califórnia, em Riverside, que está trabalhando na modificação do inseto “cigarrinha de asas vítreas”. "Estamos entrando nesta nova era em que o controle genético pode ser contemplado de forma realista."
Conheça o inimigo
Até recentemente, os cientistas não sabiam muito sobre a genética dessa espécie. O primeiro rascunho de seu genoma foi mapeado em 2016, por um grupo do USDA e do Baylor College of Medicine, no Texas. Mas o mapa tinha lacunas. Em 2021, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Riverside, incluindo Atkinson, preencheram muitos deles para produzir uma versão mais completa.
À medida que os cientistas se propõem a editar geneticamente mais espécies de pragas, será importante entender melhor sua biologia e genética, diz Linda Walling, geneticista de plantas da UC Riverside que trabalha na pesquisa de cigarrinhas de asas vítreas. "Até agora, só queríamos matá-los."
Esse entendimento vai além do sequenciamento do DNA. Antes de fazer edições, os pesquisadores precisam descobrir o que pode impedir que um inseto prejudique uma planta e, em seguida, determinar quais edições podem fazer com que isso aconteça. No caso desse inseto, havia um bom candidato: pesquisas anteriores da Universidade da Califórnia em Berkeley mostraram que um carboidrato na boca do inseto facilita a adesão da bactéria que causa a doença de Pierce e apontou para certas moléculas que os cientistas poderiam modificar para mudar esta situação.
Agora, um grupo da Universidade da Califórnia em Riverside, incluindo Atkinson e Walling, está tentando fazer essas mudanças.
Parte do desafio é simplesmente descobrir como colocar o maquinário de edição de genes em minúsculos embriões de insetos em rápido desenvolvimento.
"A entrega é o segredo de tudo", diz Wayne Hunter, um entomologista de pesquisa do USDA que trabalhou no rascunho de 2016 do genoma da “cigarrinha de asas vítreas” (Homalodisca vitripennis).
Os embriões desta espécie têm cerca de 3 mm de comprimento. A equipe de Riverside desenvolveu uma nova maneira de injetá-los com o maquinário CRISPR/Cas9 sem removê-los da folha onde são depositados. A técnica, segundo um estudo publicado no ano passado, era "simples de executar, já que uma massa de 20 óvulos pode ser injetada em dez minutos por um operador novato".
Após a injeção, a equipe mostrou que a tecnologia CRISPR poderia cortar e alterar o genoma das cigarrinhas (como prova de princípio, os pesquisadores usaram a tecnologia para remover genes que controlam a cor dos olhos da cigarrinha). Agora o grupo está trabalhando na inserção de genes no genoma do inseto na esperança de transformar o tecido de sua boca para agir como Teflon, fazendo com que as bactérias que causam a doença de Pierce caiam dele.
A equipe recebeu financiamento do USDA, bem como de um conselho de representantes da indústria do vinho convocado especificamente pelo governo da Califórnia para combater a doença de Pierce.
O conselho, do qual McIntyre é membro, apóia uma série de abordagens possíveis para derrotar a doença, incluindo a edição genética das videiras, bem como bioinseticidas, que muitas vezes são derivados de materiais naturais. A doença de Pierce é um problema "singularmente terrível" para os viticultores, diz Kristin Lowe, coordenadora de pesquisa do conselho. "Com a maioria dos patógenos de plantas que são disseminados por um inseto, você tem que explorar toda e qualquer fraqueza que encontrar - na biologia, no ambiente, na ecologia dessa doença, para alcançar o controle a longo prazo.
Operação mosca da fruta
Outra tecnologia CRISPR nascida na Califórnia já começou a longa jornada em direção à comercialização para uso em uma praga agrícola.
Omar Akbari começou a usar o CRISPR como pós-doutorando em engenharia biológica na Caltech, logo após publicar um artigo seminal sobre a tecnologia. Uma década depois, seu laboratório na Universidade da Califórnia, em San Diego, está usando o CRISPR em quase uma dúzia de espécies de insetos.
Uma delas é a Drosophila suzukii, espécie de mosca-das-frutas que cava buracos em frutas maduras e macias, como cerejas e ameixas, para depositar seus ovos. Essas moscas, que estragam cerca de US$ 500 milhões em espécies de frutas dos EUA anualmente, já se tornaram resistentes a alguns inseticidas.
O laboratório de Akbari usou CRISPR para modificar genes para criar machos estéreis e matar fêmeas. Se esses machos fossem soltos, eles se misturariam com as moscas normais e sua incapacidade de se reproduzir poderia reduzir a população total.
A Agragene, empresa que licenciou a tecnologia de Akbari, levantou US$ 5,2 milhões para comercializar esse método de esterilização em pragas agrícolas. A empresa está testando o produto este ano em estufas no Oregon.
As estratégias potenciais para controlar as populações de pragas e as doenças que elas transmitem usando CRISPR são numerosas. "Seu experimento é limitado apenas até certo ponto por sua engenhosidade", diz Nikolay Kandul, que trabalha com Akbari na Universidade da Califórnia, em San Diego.
Mas os pesquisadores também devem lidar com a biologia e as implicações de suas decisões. Em certos sistemas, como a edição de moscas-das-frutas de Akbari, uma mudança não deve permanecer na população, a menos que insetos editados por genes continuem a ser liberados. "É seguro, é eficaz, é confiável, não vai persistir no ambiente", diz Akbari.
Akbari também trabalhou em outra abordagem que poderia ser mais permanente: o gene-drive. Essa técnica burla as regras da genética, aumentando a probabilidade de um organismo herdar certos genes e distribuí-los pela população. O potencial dessa tecnologia despertou entusiasmo e preocupação (existem esforços para estudar o uso de genes em mosquitos para interromper a transmissão da malária, mas muitos cientistas apontaram os riscos potenciais e pediram cautela).
"Os produtos químicos só podem viajar até certo ponto antes de se decomporem no meio ambiente", diz Jason Delborne, professor de ciência, política e sociedade na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Se você introduzir um organismo editado por genes que pode se mover pelo ambiente, você tem o potencial de mudar ou transformar ambientes em uma enorme escala espacial e temporal”.
Kandul coloca isso de forma mais clara. Gene drives, diz ele, podem ser "consertadores".
A Agragene considerou usá-los em moscas-das-frutas, mas Akbari diz que a administração decidiu que seria difícil atrair investidores e obter aprovação regulatória. Em vez disso, a empresa optou pela tecnologia de esterilização. Depois de concluir os testes em gaiolas de laboratório no ano passado, a Agragene está iniciando os testes em estufa em colaboração com o USDA, que espera abrir caminho para uma liberação generalizada.
“Estamos coletando dados suficientes para mostrar que nosso inseto estéril é, neste caso, seguro”, diz Bryan Witherbee, CEO da Agragene, que trabalhou anteriormente na Monsanto e em outras empresas de biotecnologia.
O teste Agragene concluído no ano passado deu à empresa a confiança de que seus insetos estéreis poderiam sobreviver e funcionar como os não editados, diz Witherbee, e a empresa também trabalhou em técnicas para fabricar insetos estéreis em escala. Mas a Agragene ainda está determinando quais dados terá que enviar à Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) para obter aprovação para liberar os insetos, um processo que pode levar anos.
De acordo com um porta-voz da EPA, nos Estados Unidos, o ambiente regulatório em torno dos insetos editados pelo CRISPR está "evoluindo". As diretrizes do governo divulgadas em 2017 delinearam uma abordagem coordenada sugerindo que o USDA terá autoridade sobre animais geneticamente modificados relacionados à agricultura. Mas a jurisdição pode variar dependendo se um organismo editado visa reduzir a população de um inseto ou interromper a transmissão de doenças. Até agora, o governo dos Estados Unidos permitia a liberação de mosquitos geneticamente modificados, mas os testes com pragas agrícolas, como a traça-das-crucíferas e a lagarta-rosada, eram limitados.
Walling e Atkinson, da Universidade da Califórnia, em Riverside, prevêem que levará anos para aperfeiçoar pragas agrícolas geneticamente alteradas e obter aprovação para soltura. A Agragene espera prazos mais rápidos: a empresa, que já entrou em contato com a EPA, pretende apresentar um pedido de aprovação regulatória para uso comercial de suas moscas-das-frutas até 2024 e espera que o processo leve até dois anos.
Além da edição
A edição de genes de insetos pode ser uma tática poderosa, mas alguns especialistas em biologia de plantas e insetos também consideram outras técnicas promissoras.
Por mais de uma década, Hunter, o entomologista do USDA, trabalhou em vários esforços para mapear o genoma de uma praga que causa prejuízos de bilhões de dólares em seis continentes a cada ano: o psilídeo asiático dos citros, que dissemina uma doença que mata árvores cítricas, mas não antes de deixar folhas amareladas e frutas verdes amargas.
"Você realmente não tem muito para vender, mesmo que a árvore esteja viva", diz ele.
Ele agora faz parte de uma grande equipe financiada por doações que trabalha em vários métodos para proteger as árvores do greening cítrico. Nos próximos anos, o grupo espera apostar em diversos produtos ou soluções que possam ser comercializados para uso no campo.
Neste ano, Hunter começará a usar o CRISPR para modificar genes que possam neutralizar o psilídeo como vetor de propagação da doença do greening dos citros. Mas ele diz que plantas modificadas para resistir a bactérias continuam sendo a solução mais provável para a doença. "É daí que virá a verdadeira resposta", diz ele. Atacar os insetos poderia manter a circulação da doença, embora em menos insetos, mas a imunidade das plantas diminuiria o impacto da doença.
Mesmo assim, a modificação de plantas tem suas limitações como solução geral para o problema das pragas agrícolas. Insetos como a drosófila de asas manchadas afetam tantas frutas diferentes que a produção de variedades de plantas resistentes seria excessivamente complicada, diz Anthony Shelton, professor emérito do Departamento de Entomologia da Universidade de Cornell, que trabalhou na produção de traças estéreis de Diamondbacks.
Quando se trata da antiga luta entre agricultores e pragas, Shelton diz que é importante adotar uma série de novas ferramentas.
“Acho que todos nós aprendemos o suficiente para saber que não há bala de prata na agricultura ou na entomologia médica para tentar controlar as pragas”, diz ele. "Todos nós ficamos mais espertos, espero."
