Pela primeira vez, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveram uma maneira em escala genômica de mapear o papel regulador dos fatores de transcrição, proteínas que desempenham um papel fundamental na expressão gênica e na determinação das características fisiológicas de uma planta. . Seu trabalho revela insights sem precedentes sobre redes reguladoras de genes e identifica uma nova biblioteca de partes de DNA que pode ser usada para otimizar os esforços de engenharia genética em plantas.
“Fatores de transcrição regulam coisas como como as plantas crescem, quanto fruto elas produzem e como é a arquitetura de suas raízes”, disse Niklas Hummel, principal autor de um estudo sobre a pesquisa na revista. Sistemas celulares e pesquisador associado do Joint BioEnergy Institute (JBEI) do Departamento de Energia, administrado pelo Berkeley Lab. “Ao decifrar seu papel regulatório, podemos identificar novas estratégias para projetar culturas bioenergéticas mais resistentes à seca e outras plantas com características agronômicas aprimoradas”.
Hummel e o autor sênior do estudo, Patrick Shih, um cientista da faculdade na área de biociências do Berkeley Lab e diretor de design de biossistemas vegetais no JBEI, decidiu desenvolver um método para caracterizar um grande número de fatores de transcrição em uma planta simultaneamente. Embora existam métodos para fazer isso para outros organismos modelo, como animais, insetos e fungos, aplicá-los às plantas tem sido um desafio, devido à sua complexidade e à presença perturbadora das paredes celulares.
“Até o momento, esses tipos de estudos foram realmente feitos aos poucos em plantas, onde só entendemos a função de um fator de transcrição específico porque um grupo de pesquisadores se concentrou nisso por muitos anos”, disse Shih, que também é pesquisador da Instituto de Genômica Inovadora. “Então, o que tentamos fazer foi encontrar uma maneira de mapear a atividade de centenas desses fatores de transcrição em uma planta ao mesmo tempo”.
Para enfrentar esse desafio, Hummel e Shih empregaram um sistema de expressão transiente que haviam desenvolvido anteriormente para construir ferramentas de biologia sintética em plantas. Aqui, eles usaram o sistema para caracterizar, em paralelo, uma rede de mais de 400 domínios efetores transcricionais na planta do tabaco Nicotiana benthamianaum feito nunca antes alcançado na biologia sintética vegetal.
Eles então fizeram uma extensa revisão da literatura para tentar combinar a função dos fatores de transcrição que haviam identificado em massa com o trabalho anterior feito para identificar a função dos fatores de transcrição individuais em sua rede.
“Fomos capazes de mostrar isso é o que as pessoas viram quando estudaram individualmente o papel que os fatores de transcrição desempenham na expressão do gene, e isso é o que vimos quando os estudamos em paralelo”, disse Shih. “Na verdade, acabou se alinhando muito bem. Isso nos deixa confiantes de que podemos integrar nosso conjunto de dados em redes reguladoras de genes para identificar os principais fatores de transcrição para a engenharia de características importantes das plantas”.
Um aspecto surpreendente do estudo foi a descoberta de mecanismos semelhantes de regulação transcricional em eucariotos distantemente relacionados. Ao examinar a função de regulação do fator de transcrição em plantas e leveduras, os pesquisadores descobriram funcionalidade compartilhada, destacando a presença de mecanismos profundamente conservados de regulação de genes.
“Ficamos surpresos ao ver que muitos domínios reguladores de fatores de transcrição funcionaram da mesma forma em plantas e leveduras”, disse Hummel. “Em seguida, expandimos isso para demonstrar como os algoritmos de aprendizado de máquina treinados em conjuntos de dados de levedura poderiam funcionar para identificar domínios regulatórios em plantas”.
As conclusões do estudo têm implicações importantes para a agricultura e sustentabilidade. Os fatores de transcrição desempenham um papel crucial na determinação de características importantes nas plantas, portanto, entender como eles funcionam ajudará os cientistas a desenvolver estratégias para melhorar as práticas agrícolas e enfrentar os desafios ambientais.
Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem expandir sua abordagem para estudar todos os fatores de transcrição em Arabidopsis, uma espécie de planta modelo amplamente estudada. Isso acelerará ainda mais a compreensão da regulação de genes específicos de plantas e facilitará os avanços no campo da biologia vegetal.
“Nossa capacidade de projetar e modificar plantas depende de nossa compreensão básica de como várias características são reguladas”, disse Shih. “Ao entender como os principais fatores de transcrição podem ser os principais reguladores de características de interesse, podemos identificar novas estratégias para melhorar as características relevantes da bioenergia”.
Este trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia do Office of Science. O JBEI é um Centro de Pesquisa em Bioenergia do DOE.