Será que podemos alterar o ADN das plantas para ajudar a combater as alterações climáticas?

Através do método de edição CRISPR usado em algumas culturas comuns, uma equipa de cientistas especializados em plantas e solos procura aumentar e acelerar o armazenamento de carbono para ajudar a combater as alterações climáticas.

Por Madeleine Stone
Publicado 15/07/2022, 11:39
arroz

Jill Banfield (à direita), ecologista microbiana da Universidade da Califórnia, em Berkeley, com os membros do laboratório Jack Kim e Bethany Kolody, estudam micróbios do solo em campos de arroz na Estação Experimental de Arroz em Biggs, na Califórnia. Os investigadores estão a trabalhar para identificar os micróbios responsáveis pelas emissões de metano, bem como os que conseguem armazenar carbono no solo.

Fotografia por Andy Murdock, Innovative Genomics Institute

Para evitar níveis perigosos de aquecimento global, os cientistas dizem que não vai ser suficiente parar de queimar os combustíveis fósseis que libertam carbono na atmosfera. Como é praticamente impossível para a humanidade fazer este processo com a rapidez necessária, também precisamos de extrair carbono do ar e de o armazenar.

As plantas estão entre as melhores ferramentas que temos para o fazer, dado que estes coletores solares vivos já captam milhares de milhões de toneladas de dióxido de carbono todos os anos da atmosfera através da fotossíntese. Cerca de metade desse carbono acaba nas raízes e, eventualmente, no solo, onde pode permanecer ao longo de centenas ou milhares de anos.

Portanto, e se conseguíssemos criar plantas e solos que fossem ainda melhores a capturar carbono? Com o método de edição de genoma CRISPR – um novo e revolucionário conjunto de ferramentas de biologia molecular que permite aos cientistas fazer edições rápidas e precisas no código de ADN – este objetivo pode ser exequível.

No mês passado, o Instituto de Genómica Inovadora (IGI), um consórcio de pesquisa sediado na área da Baía de São Francisco e fundado pela pioneira no desenvolvimento da ferramenta CRISPR, Jennifer Doudna, começou a explorar este conceito a sério. Com uma doação de 11 milhões de dólares do Instituto Chan Zuckerberg, uma equipa de geneticistas de plantas, cientistas do solo e ecologistas microbianos embarcou agora num empreendimento de três anos para usar o CRISPR para criar novas variedades de culturas que consigam fazer a fotossíntese de forma mais eficiente e canalizar mais carbono para o solo. Eventualmente, os investigadores esperam criar sementes de arroz e sorgo com genes editados que em teoria podem – se forem plantadas pelo mundo inteiro – extrair anualmente mais de mil milhões de toneladas extra de carbono do ar.

Mudas de plantas com genes editados crescem no Instituto de Genómica Inovadora, onde foram desenvolvidos protocolos para editar geneticamente mais de 30 culturas alimentares globais.

Fotografia por Benton Cheung, Innovative Genomics Institute

É um objetivo extremamente ambicioso, e a equipa provavelmente vai enfrentar vários desafios no laboratório antes de as suas plantas de purificação de CO2 poderem ser semeadas. Isto inclui as considerações sociais, políticas e éticas adicionais que irão determinar se estas culturas serão amplamente adotadas pelos agricultores. Contudo, os investigadores acreditam que a ambição do seu projeto corresponde à urgência da crise climática.

“As alterações climáticas são um problema sério, muito sério”, diz Brad Ringeisen, diretor executivo do IGI e investigador  principal do projeto. “As alterações climáticas estão a ameaçar o mundo inteiro. A edição via CRISPR pode ser usada para provocar efeitos positivos no clima, e é por isso que vamos prosseguir.”

Otimizar plantas

A capacidade das plantas em armazenar carbono naturalmente começa no interior de minúsculos compartimentos celulares chamados cloroplastos. Aqui, a energia da luz solar é usada para retirar eletrões das moléculas de água e adicioná-los ao dióxido de carbono, transformando-o em glicose, um açúcar simples. A planta usa depois o carbono orgânico para crescer novas folhas, brotos e raízes.

A maquinaria bioquímica responsável pela fotossíntese demorou centenas de milhões de anos a evoluir. No entanto, nas últimas décadas, os biólogos de plantas descobriram que este processo é surpreendentemente ineficiente. Por exemplo, quando está muito sol, as plantas geralmente desligam as proteínas que estão mais envolvidas na recolha de fotões de luz. Isto ajuda a garantir que as plantas não comprometem recursos desnecessários na recolha de luz solar quando há outros fatores, como água e nutrientes, que devem ser levados em consideração.

Mas as plantas não precisam de o fazer, diz David Savage, biólogo de plantas da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e membro da equipa de investigação do IGI. “As plantas podem manter a fotossíntese no máximo e transformar essa luz solar em carbono armazenado, mas os humanos têm de assegurar que elas estão bem irrigadas e fertilizadas.”

Durante anos, os investigadores tentaram melhorar a fotossíntese recorrendo à engenharia genética tradicional – introduzindo pedaços de ADN de bactérias ou de outras plantas, com características desejáveis, nos genes que codificam proteínas coletoras de luz e noutra maquinaria bioquímica. Mas a edição de genoma através de Repetições Palindrómicas Curtas Agrupadas e Regularmente Interespaçadas, ou CRISPR, é diferente. O CRISPR, um sistema que evoluiu naturalmente em bactérias para combater vírus, é como uma espécie de tesoura molecular que os cientistas podem usar para recortar e colar, editando todo o genoma de um organismo sem a introdução de qualquer ADN estranho.

A edição de genoma CRISPR, mais rápida e precisa do que a abordagem feita anteriormente pela engenharia genética, abre a porta para avanços rápidos. “Podemos começar a otimizar os trajetos [da fotossíntese] de uma forma que até agora era completamente impossível”, diz David Savage.

A equipa vai começar pelas células individuais. David Savage e os seus colegas vão usar o CRISPR para fazer milhões de pequenas edições genéticas no arroz, em parte porque é uma cultura que atualmente é relativamente fácil de manipular geneticamente, e em parte porque foi muito bem estudada pela engenharia genética no passado. Os investigadores vão depois monitorizar as células à procura de mutações que possam tornar as etapas-chave da fotossíntese mais eficientes. Eventualmente, a equipa irá usar as linhas celulares mais promissoras e cultivar plantas verdadeiras de arroz para ver como é que as suas edições se comportam.

Com base nas estimativas publicadas anteriormente, David Savage acredita que empilhar várias edições genéticas benéficas juntas pode aumentar a eficiência da fotossíntese em 30% ou mais – e, desta forma, a quantidade de carbono que as plantas de arroz captam nos seus tecidos.

Mais fundo no solo

No entanto, para aumentar o armazenamento de carbono nas terras agrícolas, parte deste carbono extra precisa de ficar debaixo do chão. Numa investigação paralela liderada pela geneticista de cultivo Pamela Ronald, da Universidade da Califórnia, em Davis, os investigadores vão examinar uma biblioteca com 3200 estirpes mutantes de arroz alojadas no IGI para procurar variedades com características de raízes benéficas. Isto inclui estirpes de arroz de raízes longas que podem canalizar carbono para as camadas mais profundas do solo, bem como estirpes cujas raízes libertam moléculas mais pesadas em açúcar, chamadas exsudatos, que alimentam o crescimento de comunidades microbianas no solo.

Pamela Ronald e os seus colegas esperam identificar estirpes de arroz com características de raízes interessantes e usar a edição de genoma CRISPR para otimizar ainda mais essas características.

Wolfgang Busch, biólogo de plantas do Instituto Salk, que lidera o projeto Harnessing Plants Initiative – um esforço separado para projetar culturas com maior potencial de armazenamento de carbono no solo – diz que muitas das características benéficas das raízes já existem na natureza. A equipa de Wolfgang Busch, por exemplo, já identificou variedades naturais de sorgo que produzem mais raízes e mais longas. “É inquestionável”, diz Wolfgang, “que estes traços podem ser manipulados ainda mais com o CRISPR”.

Porém, Wolfgang Busch alerta que vai ser desafiante editar estas características de uma forma que produza benefícios inequívocos. As manipulações genéticas que levam a resultados promissores numa placa de Petri ou estufa podem não desencadear os mesmos resultados no terreno, onde as condições ambientais são mais variáveis. As edições que oferecem vantagens específicas, como um enraizamento mais profundo, também podem ter efeitos secundários indesejados, como alterar o tempo de desenvolvimento da semente. Estas são questões que os cientistas estão preparados para lidar durante o processo de pesquisa. Wolfgang Busch diz que é importante levar isto em consideração ao estimar quanto tempo é que estas sementes poderão demorar a chegar ao mercado.

“Basicamente, já antecipamos que a maioria das coisas que descobrimos na estufa e no laboratório não vai produzir os efeitos desejados no campo”, diz Wolfgang Busch. “A solução é identificar muitas possibilidades para algumas conseguirem passar.”

A última fronteira

A engenharia de plantas para canalizar mais carbono para o subsolo já é um desafio por si só, mas garantir que esse carbono permanece no solo a longo prazo coloca o projeto em território científico desconhecido. “Essa é a parte mais difícil”, diz Brad Ringeisen.

Existe uma comunidade complexa de microrganismos e fungos que decompõe o carbono que as plantas colocam no solo, transformando-o numa enorme variedade de compostos diferentes. Parte deste carbono é combustível de queima rápida para os micróbios, que o engolem e libertam novamente na atmosfera. Mas há outra porção do carbono que não é tão fácil de quebrar para os micróbios, por causa da sua química e localização no interior de enormes partículas, chamadas agregados, ou devido à sua tendência para aderir às superfícies minerais. Estas moléculas formam um reservatório estável de carbono no solo que pode durar décadas ou mais.

Os cientistas ainda estão a tentar compreender como é que a diversidade física, química e biológica dos solos molda este reservatório estável de carbono. Os especialistas em solos da equipa de investigação do IGI esperam aumentar esta base de conhecimento e, em última análise, usar o que aprenderem para aumentar o armazenamento de carbono.

No lado da biologia, a ecologista microbiana Jill Banfield, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e os seus colegas vão usar ferramentas de sequenciamento genómico para investigar os micróbios específicos e as características do ciclo de carbono no solo em torno das culturas editadas com o método CRISPR. Jill Banfield diz que está particularmente interessada em procurar espécies microbianas que, tal como as plantas, usam o dióxido de carbono para criar diretamente o seu próprio alimento e as que produzem polissacarídeos extracelulares – substâncias pegajosas e açucaradas que atuam como cola, aumentando a formação de agregados no solo que retêm carbono.

O objetivo principal do trabalho microbiano, diz Jill Banfield, “é desenvolver um conhecimento fundamental sobre o que está a acontecer no solo” e perceber como é que a edição de plantas com o CRISPR altera isso. No entanto, no futuro, também pode ser possível projetar diretamente micróbios do solo. A pesquisa que Jill Banfield, Jennifer Doudna e outros publicaram no início deste ano demonstra uma abordagem baseada em CRISPR para fazer edições de ADN dentro de uma comunidade microbiana diversificada. Este é um enorme salto em relação à forma como a edição de genes microbianos funciona atualmente, onde os investigadores devem primeiro isolar espécies individuais e cultivá-las em laboratório, um processo demorado e propenso ao erro.

Porém, ainda é demasiado cedo para saber se esta nova abordagem de edição comunitária pode ser usada para melhorar os solos de alguma forma. “O solo é a última fronteira”, diz Brad Ringesein. “Mas é algo que vemos como uma possibilidade.”

Depender de átomos

Como a investigação microbiana ainda está em andamento, Jennifer Pett-Ridge,  cientista de solo do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, e os seus colegas têm uma tarefa muito importante: contar átomos de carbono para garantir que todo o conceito, desde as células vegetais aos solos, está de facto a funcionar.

Ao colocarem as culturas com genes editados em câmaras especiais de crescimento e inundá-las com CO2 que contém um isótopo raro e pesado conhecido por carbono-13, os investigadores podem observar exatamente a quantidade de carbono absorvida pelas suas plantas e para onde é que este carbono está a ir.

“Em cada uma destas culturas, quer sejam folhas, raízes, exsudatos, células microbianas ou até mesmo ADN microbiano, conseguimos ver o carbono-13”, diz Jennifer Pett-Ridge. “E conseguimos quantificar quanto foi adicionado e quanto acaba em cada cultura.” A equipa de Jennifer Pett-Ridge também vai medir um isótopo radioativo ainda mais raro conhecido por carbono-14, que pode ser usado para estimar a idade do carbono no solo e a rapidez com que este entra no ciclo.

As técnicas de contabilização de carbono de Jennifer Pett-Ridge “são ferramentas verdadeiramente críticas que precisam  de ser implementadas para mostrar a atribuição”, diz Jane Zelikova, diretora do Centro de Soluções de Solo e Carbono da Universidade do Colorado. Jane Zelikova não está envolvida no projeto de pesquisa do IGI.

“Há muitas pessoas a fazer alegações sobre o aumento de carbono no solo, mas há uma falta de evidências sobre a atribuição”, diz Jane Zelikova. “Será que conseguimos realmente mostrar que a solução que desenvolvemos está a provocar impactos mensuráveis no armazenamento de carbono no solo e sobretudo nas moléculas que tendem a permanecer no solo durante longos períodos de tempo? É fundamental fazer este processo de uma forma rigorosa.”

Dos laboratórios para os campos

Se os investigadores conseguirem criar uma variedade de arroz com genes editados que aumente o armazenamento de carbono no solo, eventualmente (e com mais financiamento) também esperam fazer essas mesmas edições no sorgo, uma cultura alimentar básica em África e no sul da Ásia. Apesar de o arroz ser uma cultura útil para melhorar técnicas de edição de genes, os seus parentes com raízes mais profundas, como o sorgo, podem adicionar mais carbono ao solo de regiões onde existe a capacidade para o absorver.

Por fim, os investigadores esperam lançar ensaios internacionais de campo que coloquem as sementes de arroz e sorgo editadas com o método CRISPR nas mãos dos agricultores dentro de 10 anos – uma meta ambiciosa que Jane Zelikova diz “corresponder à urgência do problema e à necessidade com que precisamos de encontrar soluções”. Melinda Kleigman, diretora do departamento de Impacto Público do IGI, diz que, idealmente, a equipa poderá oferecer aos agricultores sementes que não se limitem apenas a melhorar o armazenamento de carbono, mas que também forneçam benefícios adicionais, como maior rendimento ou maior fertilidade do solo. “Não creio que teremos um programa bem-sucedido se tudo o que isto fizer é armazenar carbono”, diz Melinda Kleigman. “É necessário algum benefício adicional para os agricultores.”

Mesmo que a equipa consiga produzir sementes que proporcionem diversos benefícios, pode não ser fácil convencer os agricultores a adotá-las. “Os agricultores tendem a ser uma espécie de comunidade, são um pouco resistentes às coisas novas e às mudanças”, diz Jane Zelikova. “Os agricultores querem ver as coisas muito bem testadas e sem riscos antes de as semearem nos seus próprios hectares.”

Alguns agricultores, tal como alguns dos seus clientes, podem desconfiar de uma cultura que foi alterada através da edição de genoma CRISPR, que ainda é uma tecnologia muito recente. Embora as culturas editadas com o método CRISPR não sejam necessariamente regulamentadas como a descrição “OGM” – um rótulo normalmente restrito aos organismos que contêm ADN estranho – a perceção de que estas culturas são menos desejáveis ​​do que as convencionais pode afetar a aceitação por parte do público. À medida que a edição CRISPR se torna mais difundida, é essencial que as organizações que a promovem sejam transparentes sobre a forma como os organismos são alterados, diz Melinda Kleigman. “Se as pessoas não quiserem isto nas suas comunidades, devemos dar-lhes a opção de não participar.”

Ainda assim, Melinda Kleigman suspeita que muitas comunidades vão querer culturas projetadas para combater as alterações climáticas e assim conseguir prosperar num mundo mais quente. “É a minha opinião”, diz Melinda, “a de que vamos chegar a um ponto em que não teremos muitas outras opções disponíveis”.

 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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