Controlar a atividade dos genes é um passo importante na engenharia de plantas para cultivos bioenergéticos melhorados. Esta pesquisa desenvolveu genes sintéticos que podem ser combinados para atingir padrões específicos de expressão gênica dentro da planta. A expressão dos genes sintéticos é programada na forma de portas lógicas booleanas (“AND”, “OR” e “NÃO”) que funcionam de maneira semelhante às placas de circuito de computador. Usando os circuitos de genes sintéticos, os pesquisadores criaram com sucesso novos padrões de expressão previsíveis de proteínas fluorescentes. Por fim, eles usaram circuitos de genes semelhantes para redesenhar a arquitetura da raiz ajustando o número de ramificações da raiz.
Para entender as funções biológicas e projetar novas aplicações biotecnológicas, os cientistas precisam manipular com precisão a expressão gênica. Este é o processo que converte as instruções do DNA em proteínas e outros produtos que permitem que as células façam seu trabalho em um organismo. Controlar padrões específicos de expressão gênica em plantas é um desafio. Uma solução potencial são os circuitos genéticos sintéticos. No entanto, o ajuste da atividade do circuito em diferentes tipos de células vegetais tem se mostrado difícil. Esta pesquisa desenvolveu novos circuitos genéticos que permitem o controle preciso da arquitetura da raiz. Como as raízes são importantes para a absorção de água e nutrientes, esta abordagem permitirá o desenho de arquiteturas de raízes sob medida. Isso, por sua vez, ajudará os pesquisadores a projetar culturas de bioenergia com características melhoradas para o crescimento em terras marginais.
Para estabelecer circuitos de genes sintéticos capazes de regular de forma previsível a expressão gênica em plantas, os cientistas adaptaram uma grande coleção de reguladores de genes bacterianos para uso como ativadores ou repressores sintéticos da expressão gênica em plantas, também conhecidos como fatores de transcrição. Usando um sistema de expressão transiente, os pesquisadores demonstraram que os fatores de transcrição sintéticos e suas sequências-alvo de DNA (promotores) são capazes de direcionar o controle específico e ajustável da expressão gênica. Eles projetaram promotores sintéticos que respondiam a um fator de transcrição sintético para funcionar como portas lógicas simples que respondiam a uma entrada, enquanto portas mais complexas exigiam promotores sintéticos que respondiam a várias entradas. A pesquisa descobriu essas portas lógicas para controlar a expressão de maneiras previsíveis de acordo com as regras booleanas específicas codificadas nos genes modificados.
Para implementar circuitos de genes sintéticos em um contexto multicelular, os pesquisadores usaram Arabidopsis raízes como um sistema modelo onde os promotores endógenos dirigiram a expressão específica do tecido dos fatores de transcrição sintéticos. Os circuitos genéticos geraram novos padrões de expressão que resultaram da execução bem-sucedida de operações lógicas. Os pesquisadores ainda usaram uma das portas lógicas para controlar quantitativamente a expressão de um regulador de sinalização hormonal para ajustar a quantidade de ramificação da raiz no sistema radicular de Arabidopsis. Esses resultados demonstram que agora é possível programar a expressão gênica entre os tipos de células vegetais usando circuitos genéticos, fornecendo um roteiro para projetar culturas de bioenergia mais resilientes.
O financiamento foi fornecido pelo programa de pesquisa científica, biológica e ambiental do Departamento de Energia; o Burroughs Wellcome Fund Career Awards na Scientific Interface; o Chan Zuckerberg Biohub; o Instituto Médico Howard Hughes; e a Fundação Simons.