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O controle da atividade dos genes é um passo importante na engenharia de plantas para cultivos bioenergéticos melhorados. Esta pesquisa desenvolveu genes sintéticos que podem ser combinados para alcançar padrões específicos de expressão gênica dentro da planta. A expressão dos genes sintéticos é programada na forma de portas lógicas booleanas (“AND”, “OR” e “NOT”) que funcionam de maneira semelhante às placas de circuito de computador. Usando os circuitos de genes sintéticos, os pesquisadores criaram com sucesso novos padrões de expressão previsíveis de proteínas fluorescentes. Finalmente, eles usaram circuitos de genes semelhantes para redesenhar a arquitetura da raiz ajustando o número de ramificações da raiz.
Para entender as funções biológicas e projetar novas aplicações de biotecnologia, os cientistas precisam manipular com precisão a expressão gênica. Este é o processo que converte instruções no DNA em proteínas e outros produtos que permitem que as células façam seu trabalho em um organismo. Controlar padrões específicos de expressão gênica em plantas é um desafio. Uma solução potencial são os circuitos genéticos sintéticos. No entanto, o ajuste da atividade do circuito em diferentes tipos de células vegetais provou ser difícil. Esta pesquisa desenvolveu novos circuitos genéticos que permitem o controle preciso da arquitetura da raiz. Como as raízes são importantes para a absorção de água e nutrientes, essa abordagem permitirá o projeto de arquiteturas de raízes personalizadas. Isso, por sua vez, ajudará os pesquisadores a projetar culturas bioenergéticas com características aprimoradas para o crescimento em terras marginais.
Para estabelecer circuitos de genes sintéticos capazes de regular de forma previsível a expressão de genes em plantas, os cientistas adaptaram uma grande coleção de reguladores de genes bacterianos para uso como ativadores ou repressores sintéticos da expressão de genes em plantas, também conhecidos como fatores de transcrição. Usando um sistema de expressão transiente, os pesquisadores demonstraram que os fatores de transcrição sintéticos e suas sequências de DNA alvo (promotores) são capazes de direcionar o controle específico e ajustável da expressão gênica. Eles projetaram promotores sintéticos que respondiam a um fator de transcrição sintético para funcionar como portas lógicas simples que respondiam a uma entrada, enquanto portas mais complexas exigiam promotores sintéticos que respondiam a várias entradas. A pesquisa descobriu que essas portas lógicas controlam a expressão de maneiras previsíveis de acordo com as regras booleanas específicas codificadas nos genes projetados.
Para implementar circuitos de genes sintéticos em um contexto multicelular, os pesquisadores usaram Arabidopsis raízes como um sistema modelo onde os promotores endógenos conduziram a expressão específica do tecido dos fatores de transcrição sintéticos. Os circuitos gênicos geraram novos padrões de expressão que foram o resultado da execução bem-sucedida de operações lógicas. Os pesquisadores usaram ainda uma das portas lógicas para controlar quantitativamente a expressão de um regulador de sinalização hormonal para ajustar a quantidade de ramificação da raiz no sistema radicular de Arabidopsis. Esses resultados demonstram que agora é possível programar a expressão gênica em tipos de células vegetais usando circuitos genéticos, fornecendo um roteiro para a engenharia de culturas bioenergéticas mais resilientes.
O financiamento foi fornecido pelo Departamento de Energia do Escritório de Ciência, Programa de Pesquisa Biológica e Ambiental; o Burroughs Wellcome Fund Career Awards na Scientific Interface; o Biohub Chan Zuckerberg; o Instituto Médico Howard Hughes; e a Fundação Simons.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por DOE/Departamento de Energia dos EUA. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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