Inserir ou ajustar genes em plantas é mais arte do que ciência, mas uma nova técnica desenvolvida pela Universidade da Califórnia, Berkeley, cientistas poderiam fazer engenharia genética de qualquer tipo de planta - em particular, edição de genes com CRISPR-Cas9 - simples e rápida.

Para entregar um gene, os pesquisadores o enxertam em um nanotubo de carbono, que é pequeno o suficiente para deslizar facilmente através da dura parede celular de uma planta. A data, a maior parte da engenharia genética das plantas é feita disparando genes no tecido - um processo conhecido como biolística - ou entregando genes por meio de bactérias. Ambos têm sucesso apenas uma pequena porcentagem do tempo, o que é uma grande limitação para os cientistas que buscam criar safras resistentes a doenças ou secas ou para engenhar plantas para que sejam mais facilmente convertidas em biocombustíveis.

Nanotubos, Contudo, são muito bem-sucedidos na entrega de um gene no núcleo e também no cloroplasto, uma estrutura na célula que é ainda mais difícil de atingir usando os métodos atuais. Cloroplastos, que têm seus próprios separados, embora pequeno, genoma, absorver a luz e armazenar sua energia para uso futuro, liberando oxigênio no processo. Uma técnica fácil de entrega de genes seria uma bênção para os cientistas que agora estão tentando melhorar a eficiência da captura de energia da luz para aumentar o rendimento das safras.

O nanotubo não apenas protege o DNA de ser degradado pela célula, mas também impede que seja inserido no genoma da planta. Como resultado, a técnica permite modificações ou exclusões de genes que nos Estados Unidos e em outros países que não a União Européia não acionariam a designação de "geneticamente modificado, "ou OGM.

"Uma das vantagens é apenas a economia de tempo com uma tecnologia como esta, "disse Markita Landry, professor assistente de engenharia química e biomolecular da UC Berkeley. "Mas acho que os principais avanços serão a capacidade de entregar genes de forma rápida e eficiente às plantas em todas as espécies e de uma forma que possa permitir a geração de linhagens de plantas transgênicas sem integração de DNA estranho no genoma da planta."

Um uso chave seria a edição do gene CRISPR-Cas9:entrega do gene para Cas9, que é a enzima que atinge e corta o DNA, junto com o guia de codificação de DNA - etiqueta de endereço do Cas9 - para editar genes específicos com alta precisão. E o DNA ligado a um nanotubo é muito resistente.

“Avaliamos a estabilidade dos construtos e o custo e, em ambas as contagens, isso é adequado para ciência de garagem, "Landry disse." Você pode colocar essas coisas em um envelope e enviá-los para qualquer lugar. Você não precisa de uma geladeira, uma arma genética, bactérias; você não precisa muito trabalhar com eles, e eles são estáveis ​​por meses. Podemos gerá-los em escala, congelá-los, descongele-os - eles são coisinhas robustas. "

Landry e seus colegas irão relatar seus resultados online em 25 de fevereiro antes da publicação no jornal Nature Nanotechnology .

Entrega CRISPR

Landry descobriu que os nanotubos deslizam facilmente através das paredes celulares das plantas, que são conhecidos por suas camadas resistentes, ao tentar rotular células com sensores de nanotubos. Os sensores acabaram dentro da célula, não na superfície da célula.

Ela imediatamente viu como inverter isso para entregar genes às plantas. Os métodos atuais são complicados e podem ser de baixo rendimento. Usar armas genéticas é destrutivo; é como abrir um buraco em uma célula vegetal e esperar que seu gene e a célula sobrevivam. Nem todas as plantas podem ser infectadas por Agrobacterium portadora de genes, e outra técnica, usando vírus patogênicos para transportar genes, funciona para uma gama ainda menor de plantas e corre o risco de inserir DNA viral no genoma da planta. Todos devem ser personalizados para cada planta, e o DNA entregue é integrado ao genoma:a definição de OGM.

Ansioso para tentar, Landry e seus colegas envolveram o gene da proteína fluorescente verde (GFP) em torno de um nanotubo e o injetaram em uma folha de rúcula orgânica comprada no Whole Foods Market local. Dentro de um dia, as células vegetais brilhavam verdes sob a luz ultravioleta, indicando que o gene GFP foi transcrito e traduzido em proteína, como se fosse o próprio gene da planta.

O efeito durou apenas alguns dias, Contudo, provavelmente porque as proteínas são recicladas, e o DNA se degrada lentamente.

Uma vida curta não é uma desvantagem, Contudo.

"Parte do que torna a plataforma única é que a expressão é transitória. Quando olhamos no microscópio sete a 10 dias depois, a expressão se foi, a fluorescência se foi. Esse não é o caso com Agrobacterium, "Landry disse. Para os cientistas que estudam como as plantas funcionam, expressar um gene por um curto período de tempo pode dizer-lhes muito sobre o papel do gene na célula.

"Para que esta seja uma plataforma amplamente útil, Contudo, precisamos expressar uma proteína que por si só tem um efeito permanente no genoma nuclear, " ela adicionou.

Seu plano é empacotar o DNA em um plasmídeo de fita simples que é então anexado a um nanotubo de carbono. Dentro de dois ou três dias após a difusão na célula, tanto a proteína Cas9 quanto o RNA guia CRISPR seriam expressos, permitindo que eles se liguem para formar um complexo de ribonucleoproteína que edita o genoma, permanentemente. Ela não encontrou nenhum efeito tóxico do nanotubo.

"Então, agora você tem uma planta que está editada, mas isso seria considerado não-OGM fora da Europa, " ela disse.

Carregando o nanotubo

Ela e seus colegas testaram a entrega de nanotubos em outras plantas:tabaco, um burro de carga da genética vegetal; algodão, cujo genoma é notoriamente difícil de decifrar; e trigo. Versões geneticamente modificadas dessas plantas já estão no mercado, mas uma técnica simplificada pode acelerar a introdução de genes novos e benéficos. Tabaco, por exemplo, foi projetado para produzir produtos farmacêuticos, como drogas anticâncer.

Embora Landry e seus colegas ainda não entendam completamente como funciona a entrega de nanotubos, a fácil entrada de nanotubos não é uma surpresa total, ela disse. As paredes celulares das plantas permitem que as coisas deslizem facilmente se forem menores do que cerca de 5 a 20 nanômetros, que é muito menor do que o limite de tamanho de 500 nanômetros das células de mamíferos. Os nanotubos têm cerca de 1 nanômetro de diâmetro, embora tenham cerca de 300 nanômetros de comprimento:espaço suficiente para anexar dezenas de genes. As células vegetais são da ordem de 10, 000 nanômetros de diâmetro.

Ela e seus colegas de laboratório tentaram várias técnicas para anexar DNA a nanotubos e descobriram que a ligação mais firme funcionava melhor. Quando os pesquisadores deram ao nanotubo uma carga positiva antes de introduzir o DNA, ele grudou como papel em um pente carregado de eletricidade estática.

Ela agora está conduzindo experimentos com nanopartículas de origami de DNA para entender melhor o que está acontecendo dentro das células vegetais depois que o nanotubo e o DNA entram, e está experimentando com a entrega de nanotubos em plantas de outros tipos de moléculas, especificamente RNA e proteínas.

"O que é surpreendente sobre esses nanotubos de carbono é que eles são capazes de passar pela parede celular e ir para o núcleo ou para os cloroplastos. É um novo avanço que nos permite realmente colocar em prática as ferramentas para a edição do genoma, "disse Brian Staskawicz, professor de biologia vegetal e microbiana e diretor científico para agricultura do Innovative Genomics Institute, que está financiando mais trabalho na entrega do CRISPR por Landry e sua equipe. "Os próximos passos seriam, podemos entregar proteínas ribonucleicas ou podemos entregar mRNA ou DNA que realmente codificaria CRISPR-Cas9? "