Usando genes sintéticos, pesquisadores de Stanford conseguiram modificar as estruturas radiculares das plantas. Seu trabalho pode tornar as culturas mais eficientes na coleta de nutrientes e água, e mais resistentes às crescentes pressões das mudanças climáticas.

   Cada vez mais, a produção global de alimentos está sendo ameaçada pelos efeitos das mudanças climáticas. À medida que inundações, secas e ondas de calor extremas se tornam mais comuns, as culturas precisam ser capazes de se adaptar mais rápido do que nunca.

   Pesquisadores da Universidade de Stanford estão trabalhando em maneiras de manipular processos biológicos em plantas para ajudá-las a crescer de forma mais eficiente e eficaz em uma variedade de condições. Jennifer Brophy, professora assistente de bioengenharia, e seus colegas projetaram uma série de circuitos genéticos sintéticos que permitem controlar as decisões tomadas por diferentes tipos de células vegetais. Em um artigo publicado recentemente na Science, eles usaram essas ferramentas para cultivar plantas com estruturas radiculares modificadas. Seu trabalho é o primeiro passo na concepção de culturas que são mais capazes de coletar água e nutrientes do solo e fornece uma estrutura para projetar, testar e melhorar circuitos genéticos sintéticos para outras aplicações em plantas.

  “Nossos circuitos genéticos sintéticos nos permitirão construir sistemas radiculares muito específicos ou estruturas de folhas muito específicas para ver o que é ideal para as condições ambientais desafiadoras que sabemos que estão chegando”, disse Brophy. “Estamos tornando a engenharia de plantas muito mais precisa.”

   As atuais variedades geneticamente modificadas usam sistemas relativamente simples e imprecisos que fazem com que todas as suas células expressem os genes necessários para, digamos, resistir a herbicidas ou pragas. Para obter um controle em grande escala sobre o comportamento das plantas, Brophy e seus colegas construíram DNA sintético que funciona essencialmente como um código de computador com portas lógicas orientando o processo de tomada de decisão. Nesse caso, eles usaram essas portas lógicas para especificar quais tipos de células expressavam determinados genes, permitindo ajustar o número de ramificações no sistema radicular sem alterar o resto da planta.

   A profundidade e a forma do sistema radicular de uma planta afetam a eficiência na extração de diferentes recursos do solo. Um sistema radicular raso com muitos ramos, por exemplo, é melhor para absorver o fósforo (que fica perto da superfície), enquanto um sistema radicular mais profundo que se ramifica na parte inferior é melhor para coletar água e nitrogênio. Usando esses circuitos genéticos sintéticos, os pesquisadores podem cultivar e testar vários projetos de raízes para criar as culturas mais eficientes para diferentes circunstâncias. Ou, no futuro, eles poderiam dar às plantas a capacidade de se otimizarem.

   “Temos variedades modernas de culturas que perderam sua capacidade de responder onde estão os nutrientes do solo”, disse José Dinneny, professor associado de biologia da Escola de Humanidades e Ciências e um dos principais autores do artigo. “O mesmo tipo de portas lógicas que controlam a ramificação da raiz pode ser usado para, digamos, criar um circuito que leve em consideração as concentrações de nitrogênio e fósforo no solo e, em seguida, gere uma saída ideal para essas condições”.

   Brophy projetou mais de 1.000 circuitos potenciais para poder manipular a expressão gênica em plantas. Ela os testou em folhas de plantas de tabaco, para ver se conseguia fazer com que as células das folhas criassem uma proteína que brilha no escuro encontrada em águas-vivas. Ela encontrou 188 designs que funcionaram, que os pesquisadores estão enviando para um banco de dados de DNA sintético para que outros cientistas possam usar em seu trabalho.

Uma vez que tinham projetos de trabalho, os pesquisadores usaram um dos circuitos para criar portas lógicas que modificariam a expressão de um gene específico de desenvolvimento em um tipo precisamente definido de célula radicular de Arabidopsis thaliana, uma pequena planta daninha que é frequentemente usada como organismo modelo. Ao alterar o nível de expressão desse gene, eles foram capazes de modificar a densidade de ramos no sistema radicular.

Agora que eles demonstraram que podem mudar a estrutura de crescimento de um organismo modelo, os pesquisadores pretendem aplicar essas mesmas ferramentas em culturas comerciais. Eles estão investigando a possibilidade de usar seus circuitos genéticos para manipular a estrutura radicular do sorgo, uma planta que pode ser refinada em biocombustível, para ajudá-la a absorver água e realizar a fotossíntese com mais eficiência.

“As mudanças climáticas estão alterando as condições agrícolas nas quais cultivamos as plantas das quais dependemos para alimentos, combustíveis, fibras e matérias-primas para medicamentos”, disse Brophy. “Se não conseguirmos produzir essas plantas em escala, teremos muitos problemas. Este trabalho é para ajudar a garantir que teremos variedades de plantas que podemos cultivar, mesmo que as condições ambientais em que as estamos cultivando se tornem menos favoráveis”.

Este conteúdo é de autoria de Laura Castañón e foi inicialmente publicado por “Stanford News”, podendo ser acessado em seu idioma original através do link: https://news.stanford.edu/2022/08/11/synthetic-genetic-circuits-help-plants-adapt-climate-change/