Desde a descoberta das leis fundamentais da herança nas plantas de ervilha por Gregor Mendel no final do século XIX, pesquisadores de todo o mundo têm investigado os segredos ocultos no DNA das plantas e inventado/aprimorando técnicas que transformaram a forma como os humanos cultivar organismos verdes para fins agrícolas ou industriais - como o revolução verde que contavam com o uso de variedades semi-anãs e de alto rendimento que dobraram a produção de cereais na década de 1960 ou o uso de ferramentas genômicas na criação moderna e cultivo de plantas (ou seja, o uso de plantas como fábricas para produzir produtos farmacêuticos.

Para saber mais sobre os campos emergentes da Plant Science, o BotanyOne conheceu Dr. e ferrolhos de sobrepor podem ser usados para proteger uma porta de embutir pelo lado de fora. Alguns kits de corrente de segurança também permitem travamento externo com chave ou botão giratório. Dr.Ivan Reyna-Llorens, dois jovens líderes de grupos do Centro de Pesquisa em Genômica Agrícola (CRAG, Barcelona) que organizaram o Congresso de Biologia Sintética Vegetal em setembro 2022.

O que, exatamente, faz Biol Sintético Vegetalogy significa?

Jae-Seong e Ivan coincidem na definição de Biologia Sintética Vegetal – Plant SynBio em resumo – como a próxima geração de biotecnologia vegetal e engenharia genética/metabólica. Ivan explicou que essa evolução foi possível graças a novas tecnologias (por exemplo, sequenciamento de próxima geração e síntese de genoma), bem como novas ferramentas que facilitam a geração de centenas de construções diferentes usando sistemas automatizados e robótica.

Jae-Seong especificou que o Synbio aplica os conceitos e princípios da Engenharia à biologia: PROJETAR-CONSTRUIR-TESTAR-APRENDER (e voltar em um ciclo).

DESENHO experimental inicial: definição do problema biológico a ser abordado e seleção de potenciais organismos, vias e ferramentas a serem utilizadas. CONSTRUIR: síntese e montagem dos componentes moleculares necessários para modificar o organismo selecionado. TESTE: validação do desenho experimental por triagem, genotipagem/fenotipagem e análises moleculares/bioquímicas do organismo modificado. APRENDER: análise e modelagem de dados, coleta de novas informações para redesenhar experimentos. Adaptado de: Petzold et al., 2015. Créditos, MO (Canva)

Ivan nos disse que o Plant SynBio visa usar esses princípios e tecnologias para melhorar ou resolver muitos dos problemas que enfrentamos atualmente em termos de biodiversidade, segurança alimentar, sustentabilidade e saúde. Jae-Seong acrescentou: “Comparado com as abordagens anteriores, o Synbio é mais rápido”. Hoje em dia, isso é uma vantagem porque, por exemplo, os métodos tradicionais de melhoramento genético de plantas (para aumentar a produtividade ou conferir tolerância ao estresse) são muito lentos para acompanhar o ritmo acelerado das mudanças climáticas. O Synbio também é mais drástico: considerando a transformação genética, a abordagem biotecnológica clássica se baseia na modificação de uma planta com um único gene, enquanto a abordagem Synbio introduz um conjunto de genes (que também podem vir de outros organismos).

Vamos falar sobre os cientistas... por que você decidiu entrar na SynBio e como está desenvolvendo sua carreira nessa área de pesquisa?

Ivan é um cientista mexicano que ouviu falar pela primeira vez sobre Biologia Sintética quando era aluno de doutorado na Universidade de Cambridge (Reino Unido). Enquanto participava de uma conferência de Jim Hasselhoff e Tom Knight, ele ficou impressionado com o potencial dos sistemas biológicos para fazer coisas que de outra forma não seriam possíveis. Após o doutorado no laboratório de Julian Hibberd, ele tentou se envolver mais na área e decidiu continuar com um pós-doutorado no mesmo grupo trabalhando no Projeto C4 RICE – uma iniciativa de Bill e Melinda Gates que visa a engenharia de uma planta de arroz que pode executar o caminho C4 altamente eficiente. Depois disso, ele se envolveu com Iniciativa de Planta Aberta, em que pesquisadores de diferentes instituições (Universidade de Cambridge, The John Innes Center e Earlham Institute) trabalharam juntos em biologia sintética e evolução para melhorar a fotossíntese. Depois de trabalhar como bioinformática como parte do projeto ENSA que visa usar a fixação biológica de nitrogênio para aumentar de forma sustentável os rendimentos de pequenos agricultores na África (https://www.ensa.ac.uk/), juntou-se ao CRAG em setembro de 2021 para iniciar o seu próprio grupo de investigação em Biologia Sintética Vegetal e Fotossíntese.

Jae-Seong é um cientista coreano apaixonado por biologia Computacional. Ele trabalhou como pesquisador de pós-doutorado no Centro de Regulação Genômica (CRG, Barcelona) em um grupo de ponta especializado em bioengenharia em bactérias (por exemplo, modificação de proteínas secretadas no gênero Mycoplasma). em setembro de 2019, Jae-Seong trocou de bactérias por plantas quando iniciou seu próprio grupo dedicado ao estudo da regulação gênica em microalgas (ou seja, microrganismos fotossintéticos unicelulares). Especificamente, seu grupo trabalha com Chlamydomonas investigar o efeito de mutações em regiões promotoras (ou seja, sequências de DNA encontradas a montante de corpos gênicos que modulam a ativação ou repressão transcricional de uma determinada sequência que codifica uma proteína) na expressão gênica. Os dados coletados no laboratório são então computados e usados ​​para modelar os níveis de expressão de genes de interesse em microalgas.

Jae-Seong descobre que Chlamydomonas é um sistema quase perfeito, entre bactérias de crescimento rápido e plantas de crescimento lento. Também pode ser facilmente explorada como uma biofábrica para produzir moléculas de interesse farmacêutico, já que sua produção pode ser escalável – desde pequenos frascos em laboratório até volumes significativos na indústria.

No entanto, os mecanismos que regulam a expressão gênica são mais complicados em eucariotos do que em bactérias (como interações complexas entre fatores, remodelamento da cromatina, interação de promotores com intensificadores e terminadores, etc) e a expressão de um gene exógeno depende do contexto (conhecido como efeito posicional), pois é introduzido aleatoriamente no genoma.

Vamos falar sobre a conferência… Por que você decidiu organizar esta conferência?

Com a incorporação de jovens pesquisadores (Jae-Seong, Ivan e, mais recentemente, Robertas Ursache), um programa de pesquisa anterior se transformou no pilar de “Biologia Sintética de Plantas e Engenharia Metabólica”. Ivan declarou: “Queríamos organizar esta conferência como uma forma de nos conectar com outros biólogos sintéticos de plantas, com a perspectiva de estabelecer novas colaborações e também para promover o debate sobre o uso da biologia sintética de plantas para a comunidade científica em geral”. De fato, o encontro foi coorganizado como uma iniciativa conjunta com pesquisadores de O Cluster de Excelência em Ciências Vegetais (CEPLAS) , um centro líder localizado na Alemanha, que sediará a próxima edição em 2024.

Você pode nos dizer quais foram as descobertas mais emocionantes apresentadas nesta conferência?

Ivan acredita que a área da Biologia Sintética de Plantas atingiu um nível de maturidade notável, o que se refletiu nas excelentes apresentações e pôsteres exibidos na conferência. Ele ficou particularmente entusiasmado com a acessibilidade das tecnologias para a comunidade científica. Jae-Seong também concorda que o desenvolvimento de novas ferramentas (como a geração de cassetes padrão para o MIX & MATCH) facilita a troca de materiais entre os membros da comunidade científica.

Considerando a rápida evolução deste campo, quais serão as conquistas nos próximos 5 anos? E desafios futuros?

Na opinião de Ivan, a Plant SynBio terá dois grandes desafios. A primeira é o fato de a biologia ser complexa e barulhenta; portanto, os cientistas de plantas devem continuar aprendendo não apenas sobre biologia, mas também sobre biologia ruidosa. “Ainda estamos longe de entender exatamente como os sistemas funcionam e como estabilizar as características que queremos engendrar para que não sejam afetadas pelo ruído ou pelas forças da evolução. Isso é um desafio se quisermos criar um novo caminho para uma planta, por exemplo. Como disse um dos palestrantes, O ruído é um problema para a engenharia, mas na biologia o ruído veio para ficar então é melhor a gente aprender a lidar com isso”.

O segundo desafio, e provavelmente o mais importante, diz respeito aos aspectos legais e questões éticas do Plant SynBio, como a aceitação da edição do genoma nas lavouras, que terá papel fundamental na geração de mais linhas de pesquisa. Jae-Seong também está preocupado com as preocupações éticas e os medos decorrentes das novidades, mas destacou também os benefícios dessas novas abordagens para a agricultura sustentável. Por exemplo, resultados de pesquisas em andamento sobre regulação de genes permitirão projetar ad-hoc sequências regulatórias não apenas na planta modelo Arabidopsis thaliana mas também nas principais culturas, como tomate e sorgo.

Qual é o impacto do Plant SynBio na sociedade?

“O impacto desse novo campo de pesquisa na sociedade pode ser enorme. Essas tecnologias prometem mudar a forma como fabricamos matérias-primas, produzimos alimentos ou até remédios”, concluiu Ivan.

“Podemos melhorar a produção vegetal de vitamina E, uma molécula antioxidante que protege os tecidos dos danos causados ​​pela alta luminosidade ou salinidade do solo”, acrescentou Jae-Seong.

Claro, isso não é uma bala de prata e, como qualquer outra tecnologia, tem suas limitações. É importante que os cientistas e o público em geral estejam envolvidos no debate.

Estamos prontos para a próxima revolução verde?