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Imagine se os humanos pudessem “falar” com as plantas e alertá-las sobre a aproximação de ataques de pragas ou condições climáticas extremas.
Uma equipe de cientistas de plantas do Laboratório Sainsbury da Universidade de Cambridge (SLCU) gostaria de transformar esta ficção científica em realidade usando mensagens baseadas em luz para “falar” com as plantas.
Primeiros experimentos de laboratório com tabaco (Nicotiana benthamiana) demonstraram que podem ativar o mecanismo de defesa natural da planta (resposta imunológica) utilizando a luz como estímulo (mensageiro).
A luz serve como um meio universal de comunicação humana diária, por exemplo, a sinalização em semáforos, faixas de pedestres ou o status aberto/fechado de uma loja.
A equipe de pesquisa de Alexander Jones está usando a luz como mensageira no desenvolvimento de ferramentas que permitem às plantas se comunicarem com os humanos e aos humanos se comunicarem com as plantas.
A equipe da Universidade de Cambridge projetou anteriormente uma série de biossensores usando luz fluorescente para comunicar visualmente em tempo real o que está acontecendo no nível celular nas plantas, revelando a dinâmica de hormônios vegetais críticos. Estes biossensores podem dizer-nos como as plantas estão a reagir às tensões ambientais – as plantas “conversam” com os humanos.
Sua última pesquisa publicada em Biologia PLOSdescreve uma nova ferramenta chamada Highlighter, que utiliza condições específicas de luz para ativar a expressão de um gene alvo nas plantas, por exemplo, para desencadear os seus mecanismos de defesa – humanos “falando” com plantas.
O conceito de que os humanos são capazes de se comunicar com as plantas em um nível significativo há muito tempo capturou a imaginação das pessoas. Se tal capacidade fosse possível, poderia revolucionar a agricultura e a nossa relação com as plantas.
“Se pudéssemos alertar as plantas sobre um surto iminente de doença ou ataque de pragas, as plantas poderiam ativar seus mecanismos naturais de defesa para evitar danos generalizados”, disse o Dr. Jones. “Poderíamos também informar as plantas sobre a aproximação de eventos climáticos extremos, como ondas de calor ou secas, permitindo-lhes ajustar os seus padrões de crescimento ou conservar água. Isto poderia levar a práticas agrícolas mais eficientes e sustentáveis e reduzir a necessidade de produtos químicos.”
Bo Larsen, que projetou o Highlighter enquanto estava na SLCU, deu-nos um grande passo em direção a esse objetivo de “conversar” com as plantas ao projetar um sistema de expressão genética controlado pela luz (sistema optogenético) de um sistema procariótico para um sistema eucariótico que é adaptado para plantas.
A optogenética pode trazer luz aos processos biomoleculares nas plantas
Para compreender a atividade celular, os biólogos precisam ser capazes de controlar os processos biomoleculares no nível celular. A optogenética é uma técnica científica que utiliza um estímulo luminoso para ativar ou desativar um processo específico. “Os estímulos luminosos são baratos, reversíveis, não tóxicos e podem ser entregues em alta resolução”, disse o Dr. Jones.
Para fazer isso, os cientistas projetam proteínas sensíveis à luz (fotorreceptores) para controlar um processo alvo e depois entregam esses “atuadores” optogenéticos às células que desejam controlar.
A optogenética revolucionou muitos campos, incluindo a neurociência, onde os biólogos podem isolar funções de neurônios individuais.
No entanto, a optogenética tem sido difícil de aplicar às plantas. Isso ocorre porque as plantas já contêm muitos fotorreceptores e precisam de um amplo espectro de luz para crescer. Mudar do escuro para o claro também ativa os fotorreceptores das plantas nativas e uma infinidade de sistemas celulares.
Exacerbando esse problema está o fato de que muitos dos atuadores optogenéticos de melhor desempenho usam partes genéticas de plantas, o que significa que eles poderiam interagir com fotorreceptores nativos se usados em plantas.
A história por trás da pesquisa
O Dr. Jones, em busca de um interruptor de expressão gênica optogenética que pudesse ser aplicado sob condições normais de luz hortícola sem impactar a fisiologia e o desenvolvimento endógeno da planta, procurou o conselho de J. Clark Lagarias, da UC Davis, que é especialista em luz de fitocromo e cianobacteriocromo. comuta.
Ele sugeriu reaproveitar o sistema optogenético procariótico CcaS-CcaR, que foi originalmente proveniente de micróbios fotossintéticos e usa a proporção de sinais de luz verde (ligado) – vermelho (desligado). Ao modular o espectro de luz branca que as plantas precisam para crescer, os genes podem ser ativados ou desativados usando um estímulo minimamente invasivo.
Mas ao desenvolver o Highlighter em um sistema optogenético eucariótico, o Dr. Larsen detectou um comportamento inesperado. A conversão poderia ter alterado as propriedades espectrais verde-vermelho do fotorreceptor CcaS?
Trabalhando em conjunto com Alex Jones, Ines Camacho e Richard Clarke do Laboratório Nacional de Física (NPL), detectaram que o novo sistema ainda era capaz de usar luz verde e vermelha tal como o sistema original. Mas a análise espectroscópica no NPL também mostrou evidências de uma detecção independente de luz azul. O coautor Roberto Hofmann notou que, além do domínio de detecção vermelho-verde, o CcaS possuía um domínio com homologia com fotossensores de luz azul chamados fototropinas. Parece que os esforços de engenharia desbloquearam inadvertidamente um comportamento latente de detecção do azul CcaS, fornecendo uma forma alternativa de controlar a atividade CcaS-CcaR.
Highlighter é uma ferramenta optogenética para plantas
Quando implantado em plantas, o Highlighter usa sinais de luz minimamente invasivos para ativação e inativação e não é afetado pelo ciclo claro-escuro nas câmaras de crescimento.
O sistema Highlighter atual fica inativo em condições de luz azul e ativo no escuro e sob luz branca, luz verde e, misteriosamente, luz vermelha. Mais trabalhos estão planejados para progredir no desenvolvimento do Highlighter, mas a equipe já demonstrou controle optogenético sobre a imunidade das plantas, produção de pigmentos e uma proteína fluorescente amarela, esta última em resolução celular.
“O Highlighter é um passo importante no desenvolvimento de ferramentas optogenéticas em plantas e seu controle genético de alta resolução pode ser aplicado para estudar uma ampla gama de questões fundamentais da biologia vegetal”, acrescentou o Dr. “Uma caixa de ferramentas de cultivo para plantas, com diversas propriedades ópticas, também abre oportunidades interessantes para o melhoramento das culturas. Por exemplo, no futuro poderíamos usar uma condição de luz para desencadear uma resposta imunológica e, em seguida, uma condição de luz diferente para cronometrar com precisão uma característica específica , como floração ou amadurecimento.”
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