Uma invenção melhora a "arma genética" e aumenta drasticamente a eficiência da transformação genética dos cultivos
Uma equipe de engenheiros da Universidade Estadual de Iowa desenvolveu uma melhoria fundamental para a "pistola genética", uma ferramenta que permite a introdução de genes em células vegetais usando partículas microscópicas, aumentando drasticamente a precisão e a eficiência (de 10 a 20 vezes) na modificação genética de culturas. Essa inovação pode reduzir custos, minimizar danos às células e acelerar a pesquisa em biotecnologia agrícola e edição genética de culturas.
Cientistas de plantas utilizam uma "arma genética" padrão desde 1988 para modificar geneticamente culturas e obter melhores rendimentos, nutrição, resistência a pragas e outras características valiosas.
Essa tecnologia, que carrega material genético em partículas minúsculas e usa alta pressão para injetá-las nas células vegetais, tem apresentado desafios para os cientistas de plantas, incluindo ineficiência, inconsistência e até mesmo danos aos tecidos causados por partículas de alta velocidade.
Mas, na prática, a arma genética funcionou em experimentos, e os cientistas de plantas trabalharam para contornar os desafios.
"Nós nem sabíamos que tínhamos um problema", disse Kan Wang, agrônomo da Universidade Estadual de Iowa e Professor Emérito Charles F. Curtiss de Agricultura e Ciências da Vida.
Shan Jiang, professor associado de ciência dos materiais e engenharia na Universidade Estadual de Iowa, questionou se seu grupo de pesquisa poderia fazer algo para aprimorar essa ferramenta básica da pesquisa em plantas. Por fim, ele e o grupo determinaram que os cientistas de plantas estavam "disparando uma bala sem cano" há 40 anos. Um artigo recém-publicado na revista Nature Communications detalha a busca da equipe de pesquisa por uma solução, suas descobertas subsequentes e a invenção que deu origem a uma startup.
No entanto, o projeto foi além da solução de um único problema de engenharia. Jiang, devido à sua formação em pesquisa, realmente queria usar sua abordagem de engenharia para aprimorar a ciência das plantas e, potencialmente, a vida humana.
Após obter seu doutorado pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Jiang trabalhou como pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Langer do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
Este é o laboratório de Robert Langer, outrora aclamado como o "homem mais inteligente de Boston" pelo Boston Globe e cofundador e, até agosto passado, membro do conselho da Moderna, Inc., líder no desenvolvimento de medicamentos de mRNA, incluindo vacinas para COVID-19.
Jiang foi um dos 15 pós-doutorandos que trabalhavam em novas ideias para o fornecimento de materiais genéticos para terapias médicas.
"Foi uma pesquisa muito difícil", disse ele.
Mas um resultado, mesmo depois que o financiamento para pesquisa secou, foi o uso do RNA mensageiro para produzir proteínas que poderiam ajudar o corpo a combater doenças.
"Essa pesquisa teve um impacto profundo na minha vida", disse Jiang. "Quando cheguei à Universidade Estadual de Iowa, pensei no que queria fazer."
Mas não havia um hospital de pesquisa e as oportunidades para pesquisa médica eram limitadas.
Este projeto não seria possível sem uma colaboração próxima com biólogos vegetais. Acreditamos que a melhor maneira de contribuir é comercializar nossas ferramentas para que possam ser amplamente utilizadas na comunidade de ciências vegetais. Shan Jiang
Ele pesquisou a literatura científica e leu sobre a introdução de DNA em células vegetais para introduzir ou aprimorar características específicas, como alto rendimento agrícola, resistência a insetos ou tolerância ao calor.
Ele pegou o telefone e fez uma ligação fria
Wang atendeu e ficou surpreso ao encontrar um engenheiro de materiais, mas demonstrou interesse suficiente para agendar um almoço para discutir os desafios da pesquisa em ciências vegetais, particularmente o desafio de introduzir material genético através das resistentes paredes celulares de uma planta.
"Era uma área muito negligenciada", disse Jiang. "Pouquíssimos cientistas de materiais estavam trabalhando na introdução de células vegetais. A agricultura é sempre negligenciada; as pessoas querem curar o câncer."
Da perda de paciência à descoberta chocante
A antiga "arma genética" usada por cientistas de plantas para a introdução "biológica" de informação genética funciona revestindo micropartículas de ouro ou tungstênio, com apenas alguns milionésimos de metro de tamanho, com material genético e, em seguida, injetando as partículas e a carga nas células vegetais.
Algumas dessas células sobrevivem ao bombardeio de partículas, absorvem o DNA introduzido e expressam as características correspondentes. Plantas inteiras podem ser cultivadas a partir das células transformadas.
“No entanto, a administração biolística enfrenta desafios significativos em termos de eficiência, consistência e danos aos tecidos causados por microprojéteis de alta velocidade, que dificultam a regeneração e a transformação”, escreveram Jiang e seus coautores em seu artigo sobre o projeto (veja os detalhes da equipe e do artigo abaixo). “Além disso, isso frequentemente leva a inserções fragmentadas e múltiplas de transgenes no genoma, resultando em expressão gênica imprevisível.”
Jiang e seus colaboradores de pesquisa começaram a buscar soluções: “Tentamos minimizar a margem de erro”, comentou.
Os pesquisadores tentaram tudo o que podiam imaginar, mas Jiang disse que fizeram pouco progresso. Após quatro anos, era hora de reconsiderar o tempo e o esforço investidos no projeto.
“Estávamos perdendo a esperança e a paciência”, disse Jiang.
Em uma tentativa final de encontrar uma solução, a equipe de pesquisa executou modelos computacionais de dinâmica de fluidos dos fluxos de partículas da arma genética e descobriu um gargalo dentro de um cilindro interno. Parecia muito estreito e restritivo, resultando em perda de partículas, interrupção do fluxo, diminuição da pressão, redução da velocidade e distribuição desigual para as células-alvo.
Essas descobertas apontam para limitações críticas no design do canhão de genes e nos levaram a levantar a hipótese de que modificar a dinâmica do fluxo dentro do canhão poderia melhorar significativamente sua eficiência e consistência, escreveram Jiang e colegas. Para isso, os pesquisadores projetaram um novo cilindro interno para o canhão de genes, chamado "Cilindro Guia de Fluxo", e Connor Thorpe, doutorando e entusiasta da impressão 3D, imprimiu um para testes.
"Melhorou o desempenho em 50%, e depois em duas, três, cinco, dez, vinte vezes", disse Jiang. "Para ser sincero, fiquei muito surpreso."
Transformações mais simples
Modelagens computacionais mostram que um canhão de genes convencional direciona aproximadamente 21% das partículas carregadas para as células vegetais alvo, enquanto um canhão de genes modificado com o Flow Guiding Barrel fornece quase 100%.
Testes subsequentes realizados por cientistas de plantas revelaram, por exemplo, um aumento de 22 vezes na eficiência de transfecção transitória em ensaios com cebola, uma melhoria de 17 vezes na eficiência de infecção viral em mudas de milho e um aumento de duas vezes na eficiência em experimentos usando ferramentas de edição genômica CRISPR em trigo.
"Nenhum dispositivo anterior alcançou tais melhorias, oferecendo um potencial substancial para o avanço da transformação independente de genótipo e da edição genômica de plantas", escreveram os coautores do artigo.
Wang, o cientista de plantas da Universidade Estadual de Iowa contatado inicialmente por Jiang, observou melhorias em laboratório de 10 e, às vezes, de 20 vezes. Podemos trabalhar com uma eficiência muito maior.
Yiping Qi, professor de ciências vegetais e arquitetura paisagística na Universidade de Maryland e colaborador do projeto, afirmou que o Flow Guiding Barrel "facilitará a transformação de plantas e a edição do genoma com maior eficiência". Em um teste, por exemplo, ele explicou que o Flow Guiding Barrel permitiu que os reagentes CRISPR penetrassem mais profundamente no meristema apical do broto de trigo, a parte da planta onde as células e folhas são produzidas.
"Isso se traduziu em maior eficiência na edição genética hereditária na próxima geração de trigo", afirmou Qi. "Embora esta demonstração tenha sido realizada em trigo, prevê-se que essa melhoria também possa beneficiar outras culturas, como cevada, sorgo, etc."
O apoio à pesquisa e ao desenvolvimento do Flow Guiding Barrel veio de fontes da Universidade Estadual de Iowa, incluindo a Plataforma de Pesquisa e Inovação em Agricultura Digital e de Precisão; a Iniciativa de Pesquisa em Alimentos e Agricultura do Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura do Departamento de Agricultura dos EUA; a Fundação Nacional de Ciências; e o Departamento de Energia dos EUA.
Uma startup para a ciência vegetal
O Flow Guiding Barrel funcionou tão bem que Jiang; Thorpe; Wang; Kyle Miller, ex-aluno de doutorado no laboratório de Jiang; e Alan Eggenberger, pesquisador científico em ciência dos materiais e engenharia da Universidade Estadual de Iowa, tomaram medidas para investigar o potencial comercial da invenção. Jiang e Thorpe também se inscreveram nos programas de startups da Universidade Estadual de Iowa e, posteriormente, cofundaram uma empresa com Jibing Lin, graduado pela Universidade Estadual de Iowa e líder de startups. O programa de Transferência de Tecnologia para Pequenas Empresas do Departamento de Energia dos EUA apoiou o desenvolvimento da empresa.
“Este projeto não seria possível sem uma colaboração próxima com biólogos vegetais”, disse Jiang. “Acreditamos que a melhor maneira de contribuir é comercializar nossas ferramentas para que possam ser amplamente utilizadas na comunidade de ciências vegetais.”
A Fundação de Pesquisa da Universidade Estadual de Iowa entrou com um pedido de proteção de patente para esta inovação e cedeu os direitos comerciais à empresa dos cofundadores, a Hermes Biomaterials Inc. A empresa tem sede no Parque de Pesquisa da Universidade Estadual de Iowa e fabrica seus produtos em Iowa. A empresa continua seus esforços de descoberta de clientes, com base no programa Innovation Corps da National Science Foundation, e já começou a vender seus produtos.
Com um aumento de eficiência de 10 a 20 vezes, Jiang afirmou que o Flow Guiding Barrel poderia economizar milhões de dólares em tempo e custos para cientistas de plantas e empresas agrícolas na produção de plantas ou produtos.
“É um dispositivo pequeno e parece muito simples”, afirmou Jiang. “Mas os benefícios que ele pode trazer são inestimáveis. Ele permite o desenvolvimento de estratégias mais seguras e eficazes para melhorar as culturas, tornando-as mais resilientes às mudanças ambientais, melhorando o conteúdo nutricional e contribuindo para a produção de energia sustentável.”
