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Os esforços para alcançar emissões líquidas zero de carbono provenientes de combustíveis para transportes estão a aumentar a procura de petróleo produzido por culturas não alimentares. Estas plantas utilizam a luz solar para alimentar a conversão do dióxido de carbono atmosférico em óleo, que se acumula nas sementes. Os melhoristas interessados em selecionar plantas que produzem muito óleo procuram sementes amarelas. Nas culturas de oleaginosas como a canola, as variedades de sementes amarelas geralmente produzem mais óleo do que as variedades de sementes marrons. O motivo: a proteína responsável pela cor marrom das sementes – que falta nas plantas com sementes amarelas – também desempenha um papel fundamental na produção de óleo.
Agora, bioquímicos vegetais do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) – que estão interessados em aumentar a síntese de óleos vegetais para a produção sustentável de biocombustíveis e outros bioprodutos – aproveitaram esse conhecimento para criar uma nova cultura de oleaginosas de alto rendimento. variedade. Em um artigo recém-publicado em O Jornal de Biotecnologia Vegetaleles descrevem como usaram ferramentas da genética moderna para produzir uma variedade de sementes amarelas Camelina sativaparente próximo da canola, que acumula 21,4% mais óleo que a camelina comum.
“Se os criadores conseguem obter um aumento de alguns por cento na produção de petróleo, eles consideram isso significativo, porque mesmo pequenos aumentos no rendimento podem levar a grandes aumentos na produção de petróleo quando você está plantando milhões de acres”, disse o bioquímico do Brookhaven Lab, John Shanklin, presidente do Departamento de Biologia do Laboratório e líder do programa de pesquisa de óleos vegetais. “Nosso aumento de quase 22% foi inesperado e poderia resultar em um aumento dramático na produção”, disse ele.
Ideia simples, planta incomum
A ideia por trás do desenvolvimento desta variedade de camelina de alto rendimento era simples: imitar o que acontece nas variedades naturais de canola de alto rendimento e sementes amarelas.
“Os criadores identificaram plantas com mais óleo, algumas das quais tinham sementes amarelas, e não se preocuparam realmente com o mecanismo”, disse Shanklin. Mas assim que os cientistas descobriram o gene responsável pela cor amarela da semente e pelo aumento do teor de óleo, encontraram uma forma de aumentar potencialmente o rendimento do óleo noutras espécies.
O gene tem as instruções para produzir uma proteína conhecida como Concha Transparente 8 (TT8), que controla a produção de compostos que conferem às sementes a cor marrom, entre outras coisas. É importante ressaltar que o TT8 também inibe alguns dos genes envolvidos na síntese do óleo.
Xiao-Hong Yu, que liderou este projecto, levantou a hipótese de que a eliminação do TT8 na camelina deveria libertar a inibição da síntese do petróleo – e libertar algum carbono que pode ser canalizado para a produção de petróleo.
Livrar-se de um único gene na camelina é muito desafiador porque esta planta é incomum entre os seres vivos. Em vez de ter dois conjuntos de cromossomos – ou seja, duas cópias de cada gene – possui seis conjuntos.
“Este genoma ‘hexaplóide’ explica por que não existem variedades naturais de camelina com sementes amarelas”, explicou Yu. “Seria altamente improvável que mutações surgissem simultaneamente em todas as seis cópias do TT8 para perturbar completamente a sua função”.
Edição de genes encontra petróleo
Graças às ferramentas da genética moderna, a equipe de Brookhaven conseguiu eliminar todas as seis cópias do TT8. Eles usaram tecnologia de edição de genes conhecida como CRISPR/Cas9 para atingir as sequências específicas de DNA dentro dos genes TT8. Eles usaram a tecnologia para clivar o DNA nesses locais e depois criar mutações que desativaram os genes. Yu e a equipe realizaram então uma série de análises bioquímicas e genéticas para monitorar os efeitos da edição genética direcionada.
“O fenótipo da semente amarela que procurávamos era um ótimo guia visual para nossa busca”, disse Yu. “Isso nos ajudou a encontrar as sementes que procurávamos, examinando menos de 100 plantas – entre as quais identificamos três linhagens de ocorrência independente nas quais todos os seis genes foram interrompidos”.
Os resultados: A cor do tegumento da semente mudou de marrom para amarelo apenas em plantas nas quais todas as seis cópias do gene TT8 foram interrompidas. As sementes amarelas tinham níveis mais baixos de compostos “flavonóides” e “mucilagem” – ambos normalmente produzidos por vias bioquímicas controladas pelo TT8 – do que as sementes marrons de cepas de camelina com genomas não editados.
Além disso, muitos genes envolvidos na síntese do óleo e na produção de ácidos graxos, os blocos de construção do óleo, foram expressos em níveis aumentados nas sementes das plantas editadas pelo CRISPR/Cas9. Isto resultou no aumento dramático na acumulação de petróleo. As sementes alteradas continham outra surpresa positiva, pois os níveis de proteínas e amido permaneceram inalterados.
As mutações direcionadas ao TT8 foram herdadas nas gerações subsequentes das plantas camelina, sugerindo que as melhorias seriam estáveis e duradouras.
“Nossos resultados demonstram o potencial para a criação de novas linhagens de camelina por edição genética, neste caso, manipulando o TT8 para melhorar a biossíntese do petróleo. Compreender mais detalhes de como o TT8 e outros fatores controlam as vias bioquímicas pode fornecer alvos genéticos adicionais para aumentar o rendimento do petróleo, ” Shanklin disse.
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