Nova abordagem 'empilha' genes para uma transformação mais rápida das plantas

9 de junho de 2023

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por Stephanie Seay, Oak Ridge National Laboratory

Em uma descoberta destinada a acelerar o desenvolvimento de culturas com vantagem de processo para biocombustíveis de aviação, cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia desenvolveram a capacidade de inserir múltiplos genes em plantas em uma única etapa.

"À medida que tentamos atingir a meta de uma indústria de aviação de carbono zero até 2050 com combustíveis sustentáveis, os desafios são enormes - técnica, econômica e biologicamente", disse Jerry Tuskan, diretor executivo do Centro de Inovação em Bioenergia liderado pelo ORNL, ou CBI, que dirigiu a pesquisa. “Ter a capacidade de testar vários genes simultaneamente acelerará esse processo e aumentará a probabilidade de atingirmos a meta do país de substituir 100% do combustível de aviação à base de petróleo até 2050”.

A técnica de transformação de plantas, conhecida como empilhamento de genes, substitui o meticuloso método de inserir um gene de cada vez no DNA de uma planta-alvo e, em seguida, sequenciar a planta para garantir que os genes estejam no local certo e tenham a orientação certa para acionar o características físicas desejadas.

Os genes não operam no vácuo. Traços complexos que os pesquisadores desejam, como crescimento mais rápido e tolerância à seca, geralmente são controlados por múltiplos genes. A engenharia genética tradicional envolve a adição de um gene e seu maquinário bioquímico associado às plantas, provando que funciona, depois pegando esse material vegetal e transformando-o uma segunda vez com outro gene e provando que funciona, depois um terceiro gene e assim por diante, em um complexo, processo demorado.

“É muito mais eficiente se você puder fazer tudo isso em uma transformação”, disse Tuskan, que também colaborou na pesquisa.

Os cientistas do ORNL criaram um novo método de entrega usando segmentos de proteínas chamados inteins, que têm a capacidade natural de se separar de proteínas maiores e, em seguida, unir-se novamente para criar novas proteínas. Os pesquisadores usaram os inteins para criar um sistema de marcadores selecionáveis ​​divididos que inseriu simultaneamente quatro genes nas plantas, incluindo genes que "marcam" ou identificam células transformadas, sustentam sua estabilidade e tornam as edições detectáveis ​​por biossensores.

A técnica, descrita na Communications Biology, foi demonstrada no tabaco, na planta modelo Arabidopsis thaliana e na biomassa do álamo como matéria-prima.

Os híbridos resultantes foram examinados usando biossensores baseados em luz desenvolvidos pelo ORNL que indicaram que os novos genes foram integrados à planta. As descobertas foram confirmadas pelo exame do DNA da planta.

O projeto "é o resultado de anos de pesquisa no CBI dedicados à criação de matérias-primas de bioenergia resistentes que crescem em condições abaixo do ideal", disse Xiaohan Yang, líder do projeto ORNL. “Queremos empilhar características no choupo que tornem a árvore economicamente viável para crescer e processar combustível de aviação”. A nova capacidade de empilhamento de genes é facilmente implementada em pipelines de transformação de plantas existentes, permitindo resultados muito mais rápidos, disse Yang.

Como parte de sua missão de desenvolver uma cultura sustentável de matéria-prima não alimentar para combustível de aviação limpo, a CBI identificou genes que controlam características de plantas como maior rendimento, composição de biomassa que se presta a ser mais facilmente processada em biocombustíveis e tolerância à seca.

Yang e seus colegas começaram a trabalhar em uma iteração da técnica para inserir 12 genes de uma só vez – 10 relacionados a funções biológicas em álamo e dois marcadores. Yang disse que é possível que a técnica possa ser refinada para suportar o empilhamento de até 20 genes.