Dez anos atrás, uma nova tecnologia chamada CRISPR-CAS9 possibilitou aos cientistas alterar o código genético dos organismos vivos. Por mais revolucionária que fosse, a ferramenta tinha suas limitações. Como os primeiros telefones celulares que só podiam realizar uma função, o método CRISPR original pode realizar uma função: remover ou substituir genes em uma sequência genética. As iterações posteriores do CRISPR foram desenvolvidas para outra função que permitia aos cientistas alterar a expressão dos genes, ligando-os ou desligando-os, sem removê-los do genoma. Mas cada uma dessas funções só poderia ser realizada de forma independente nas plantas.
Agora, cientistas da Faculdade de Agricultura e Recursos Naturais da Universidade de Maryland desenvolveram o CRISPR-Combo, um método para editar vários genes em plantas e, ao mesmo tempo, alterar a expressão de outros genes. Esta nova ferramenta permitirá combinações de engenharia genética que trabalham juntas para aumentar a funcionalidade e melhorar a criação de novas culturas.
“As possibilidades são realmente ilimitadas em termos de características que podem ser combinadas”, disse Yiping Qi, professor associado do Departamento de Ciência Vegetal e Arquitetura Paisagista e coautor do estudo. “Mas o que é realmente empolgante é que o CRISPR-Combo introduz um nível de sofisticação na engenharia genética em plantas que não tínhamos antes.”
A nova pesquisa aparece na edição de maio de 2022 da revista Plantas Naturais.
Os benefícios de manipular mais de um gene por vez podem superar em muito os benefícios de qualquer manipulação isolada. Por exemplo, imagine uma praga devastando os campos de trigo, ameaçando os meios de subsistência dos agricultores e a segurança alimentar. Se os cientistas pudessem remover um gene do trigo que o torna suscetível à praga e simultaneamente ativar genes que encurtam o ciclo de vida da planta e aumentam a produção de sementes, eles poderiam rapidamente produzir trigo resistente à praga antes que a doença tivesse a chance de fazer muito. dano.
Esse é o tipo de engenharia que Qi e sua equipe demonstraram em quatro fases diferentes de experimentação.
Primeiro passo: provar o conceito:
Qi e sua equipe já haviam desenvolvido novos métodos CRISPR para regular a expressão gênica em plantas e editar vários genes ao mesmo tempo. Mas, para desenvolver o CRISPR-Combo, eles tiveram que estabelecer que poderiam realizar ambas as funções de engenharia genética em paralelo sem consequências negativas. Neste novo artigo, eles demonstraram que o uso de células de tomate e arroz.
“Como prova de conceito, mostramos que poderíamos desativar o gene A e regular ou ativar o gene B com sucesso, sem cruzar acidentalmente e desativar o gene B ou regular positivamente o gene A”, disse Qi.
Em seguida, Qi e seus colegas testaram o CRISPR-Combo em uma planta com flor chamada rockcress (ArabidopsisI), que é frequentemente usado por pesquisadores como modelo para culturas básicas como milho e trigo. Os pesquisadores editaram um gene que torna a planta mais resistente a herbicidas enquanto ativam um gene que causa a floração precoce, que produz sementes mais rapidamente. O resultado foi uma planta de agrião resistente a herbicidas que rendeu oito gerações em um ano, em vez das quatro comuns.
Engenharia mais eficiente
Em seu terceiro experimento, a equipe demonstrou como o CRISPR-Combo poderia melhorar a eficiência no melhoramento de plantas usando culturas de tecidos de choupos. Os programas de melhoramento para desenvolver novas variedades de plantas geralmente usam culturas de tecidos em vez de sementes – considere como uma planta pode regenerar raízes e folhas a partir de um único caule plantado no solo. Os cientistas modificam geneticamente as células-tronco que têm a capacidade de se transformar em plantas completas e, quando essas plantas amadurecem e produzem sementes, as sementes carregam as modificações genéticas feitas nas células-tronco.
Algumas plantas são melhores em se regenerar a partir de culturas de tecidos do que outras, o que torna esta etapa o maior gargalo na engenharia genética de culturas. Para algumas plantas, a taxa de sucesso é de apenas 1%.
Qi e sua equipe abordaram o gargalo primeiro editando algumas características em células de álamo e, em seguida, ativando três genes que promovem a regeneração do tecido vegetal.
“Mostramos em choupos que nosso novo método poderia oferecer uma solução para o gargalo da regeneração de tecidos, aumentando drasticamente a eficiência da engenharia genética”, disse Qi.
Atalho livre de hormônios
Atualmente, cultivar plantas geneticamente modificadas a partir de culturas de tecidos requer a adição de hormônios de crescimento, que ativam genes promotores de crescimento. A equipe de pesquisa abrevia esse processo no arroz, ativando diretamente esses genes com o CRISPR-Combo. O resultado foi arroz editado por genes de culturas de tecidos que não requereram suplementação hormonal. Qi e seus colegas descobriram que as culturas de tecidos cultivadas com seu método expressavam mais o gene editado do que o tecido cultivado com hormônios.
“Esse método resulta em um processo de edição do genoma altamente eficiente”, disse Qi.
Agora que a equipe demonstrou que seu método CRISPR-Combo funciona em uma variedade de plantas para fins múltiplos, eles pretendem realizar experimentos em frutas cítricas, cenouras e batatas para testar sua viabilidade em uma cultura de frutas, vegetais e alimentos básicos. Eles também estão trabalhando para criar um arroz dourado resistente a herbicidas com conteúdo nutricional aprimorado e arroz vermelho com antioxidantes aumentados.