Antigamente, a opinião científica predominante poderia ter pronunciado pesquisas publicadas recentemente em Natureza Comunicações por uma equipe de cientistas da Purdue University como desnecessários. Agora, as implicações da mudança climática aumentaram a necessidade dessa linha de pesquisa.
As flores emitem substâncias químicas perfumadas chamadas compostos orgânicos voláteis (VOCs). No início deste ano, a equipe de Purdue publicou o artigo identificando pela primeira vez uma proteína que desempenha um papel fundamental em ajudar as petúnias a emitir voláteis. O artigo foi selecionado para a seção “plantas e agricultura” da página de destaques dos editores da revista.
Natalia Dudareva, que liderou o estudo, e seu colaborador de longa data, John Morgan, sugeriram anos atrás em propostas de subsídios que processos moleculares poderiam estar envolvidos na emissão de VOC. Em ambas as vezes, os revisores de subsídios disseram que não havia nada a procurar porque a difusão simples era a resposta.
“Falhamos duas vezes porque as pessoas não acreditaram em nós”, disse Dudareva, diretor do Centro de Biologia Vegetal e Professor Ilustre de Bioquímica. “Decidimos que precisávamos de provas de que não é uma difusão simples, mas sim de mecanismos moleculares envolvidos.”
O novo trabalho se baseia nas descobertas que a colaboração Dudareva-Morgan anunciou em 2015 e 2017, mostrando como a biologia ajuda a controlar a liberação de compostos aromáticos das plantas. O artigo mais recente, financiado principalmente pela National Science Foundation e pelo Departamento de Agricultura dos EUA, concentra-se em como os voláteis atravessam a parede celular, a barreira que separa o interior celular da camada protetora mais externa de uma planta, a cutícula.
“Estávamos analisando se havia ou não proteínas que facilitam o transporte dessas pequenas moléculas orgânicas através da camada da parede celular”, disse Morgan, professor de engenharia química.
“A melhor analogia é com o transporte de oxigênio no tecido muscular por uma proteína chamada mioglobina.”
Os produtos químicos orgânicos voláteis são moléculas pequenas que têm baixa solubilidade em água. A parede celular, no entanto, é um ambiente cheio de água. Isso diminui a taxa de difusão de VOCs porque suas concentrações não podem aumentar muito.
“O que acontece é que uma proteína pode ligar muitas dessas moléculas dentro de uma cavidade não aquosa e melhora ou aumenta a taxa líquida de transporte”, explicou Morgan.
O trabalho tem implicações práticas significativas, que vão desde a saúde do planeta até as operações industriais. As plantas agora emitem 10 bilhões de toneladas métricas de carbono anualmente, uma quantidade que aumentará com o contínuo aquecimento global. Os voláteis florais também ajudam a proteger as plantas contra os estresses ambientais e são muito usados na indústria de cosméticos e na aromaterapia.
“E nossa dieta depende de plantas polinizadas por insetos”, disse Dudareva. Com o aquecimento global, as flores podem começar a desabrochar mais cedo, antes que os insetos estejam prontos para iniciar a polinização.
O artigo da equipe de 2015 publicado na revista Trends in Plant Science relatou cálculos que determinaram a concentração de voláteis necessária para sustentar a taxa de emissão floral medida experimentalmente. A concentração atingiu a faixa milimolar, escala que os químicos usam para quantificar substâncias que contêm um grande número de moléculas ou átomos.
“Esses compostos se acumularão dentro das membranas e uma concentração tão alta destruirá as membranas e a célula”, disse Dudareva. Isso deixou uma conclusão clara: a difusão simples seria impossível.
O trabalho inicial foi calculado para snapdragons. Mas os pesquisadores de Purdue se concentraram nas petúnias para seu estudo mais recente porque, ao contrário dos snapdragons, eles podem ser geneticamente modificados para estudar como determinados genes afetam o processo de emissão.
“É muito mais fácil trabalhar com petúnias porque a emissão é alta, especialmente durante a noite”, disse Pan Liao, co-autor principal e ex-cientista de pós-doutorado da Purdue, agora professor assistente de biologia na Universidade Batista de Hong Kong. “A emissão é fortemente regulada em um padrão diurno.”
Co-autores adicionais foram Itay Maoz, um ex-cientista de pós-doutorado da Purdue agora da Organização de Pesquisa Agrícola de Israel; Meng-Ling Shih, PhD 2022, engenharia química; Xing-Qi Huang, um cientista de pós-doutorado que trabalha no laboratório de Dudareva; e Ji Hee Lee, um estudante de pós-graduação em bioquímica. Os coautores contribuíram com uma combinação complementar de habilidades e conhecimentos para o trabalho que se tornou uma marca registrada da colaboração de longa data entre os grupos de pesquisa Dudareva e Morgan.
O grupo de Dudareva gerou as plantas transgênicas e tratou da biologia celular necessária para determinar se uma determinada proteína contribui para as emissões voláteis. Não há como, no entanto, detectar o nível de proteínas em uma célula ou como sua concentração muda na parede celular.
Coube então ao grupo de Morgan realizar os cálculos que quantificaram as contribuições das proteínas e realizar simulações de computador para verificar os dados experimentais.
“É importante ter feedback entre as previsões de modelagem e os dados reais”, disse Morgan. “Às vezes, começa com os dados, depois fazemos matemática e depois voltamos e comparamos com os dados.”