(Esquerda) Esquema do processo. Uma molécula bioativa (como DNA ou RNA) é combinada com um nanocarreador peptídico (um peptídeo de penetração celular, CPP) em uma solução aquosa e depois pulverizado nas folhas da planta com um atomizador em spray. Esta técnica pode alterar a expressão do gene sem alterar os próprios genes. (Direita) Evidência de que o sistema pode ser usado para promover a expressão gênica. A coloração azul pode ser vista após a pulverização com um complexo de DNA/CPP de plasma contendo o gene repórter GUS. Observe a folha superior sem nenhuma coloração azul. Esta folha foi pulverizada com uma solução que continha o DNA do plasma, mas não o transportador peptídico. Crédito:RIKEN
Pesquisadores do RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) no Japão desenvolveram uma maneira de melhorar a qualidade das colheitas sem a necessidade de criar plantas geneticamente modificadas especiais. Em vez de alterar os genomas das plantas, a nova técnica se baseia em um spray que introduz moléculas bioativas nas células vegetais através de suas folhas. A nova tecnologia pode ser usada para ajudar as plantações a resistirem a pragas ou se tornarem mais resistentes à seca – em menos tempo e com menor custo do que fazer linhas de plantações geneticamente modificadas. O estudo foi publicado na revista científica
ACS Nano .
A tecnologia agora pode alterar diretamente os genomas e criar organismos geneticamente modificados (OGMs), incluindo alimentos GM. No entanto, fazer plantas transgênicas leva tempo, dinheiro e ainda não conquistou amplo apoio público. Os pesquisadores do RIKEN CSRS liderados por Masaki Odahara desenvolveram uma alternativa aos alimentos GM que podem superar esses problemas. Por exemplo, em vez de alterar o genoma de uma planta para que ela não expresse um gene específico, o mesmo gene pode ser suprimido em movimento inserindo um composto bioativo específico na planta. Nesse cenário, o composto bioativo é levado às células da planta por um carreador que pode penetrar nas paredes celulares das células vegetais.
Embora o conceito possa ser simples, fazê-lo acontecer foi um desafio. “Além de projetar uma maneira de introduzir moléculas bioativas nas plantas”, diz Odahara, “tivemos que considerar um método de entrega que fosse prático para culturas cultivadas em condições agrícolas reais”. A equipe concluiu que o melhor método seria através de um spray que poderia ser implantado em grandes campos com relativa facilidade.
Muitos tipos de nanopartículas podem penetrar nas células vegetais. Os pesquisadores se concentraram em peptídeos penetrantes de células (CPPs) porque também podem atingir estruturas específicas dentro das células das plantas, como os cloroplastos. O primeiro desafio foi determinar quais CPPs são melhores ao usar um spray. Eles marcaram CPPs naturais e sintéticos com amarelo fluorescente, pulverizaram-nos nas folhas das plantas e mediram a quantidade de fluorescência nas folhas com um microscópio confocal de varredura a laser em diferentes momentos. Após realizar este procedimento em laboratório típico de Arabidopsis thaliana, bem como em vários tipos de soja e tomate, eles encontraram vários CPPs naturais que foram capazes de penetrar na camada externa das folhas, e em alguns casos até mais profundamente.
Evidência de que o sistema pode ser usado para silenciar genes em tomates. O transportador peptídico (em cima), o RNA interferente (no meio) ou o complexo contendo ambos (em baixo) foram pulverizados nas folhas de uma planta de tomate. A planta de tomate foi projetada para superexpressar uma proteína verde fluorescente. Quando o complexo RNA/CPP foi usado, a fluorescência verde estava ausente, indicando que o gene que conduz a expressão da proteína verde fluorescente foi silenciado. Crédito:RIKEN
Outros experimentos mostraram que essa técnica funcionou bem quando o DNA plasmidial foi anexado aos CPPs, e as análises mostraram que os genes foram efetivamente expressos nas folhas de A. thaliana e da soja após serem transportados para as células por meio de um spray aquoso. Os pesquisadores também descobriram que, ao incluir outras biomoléculas e nanoestruturas na solução de pulverização, eles poderiam aumentar temporariamente o número de poros nas folhas, o que aumentou a quantidade de spray absorvida pela planta.
Muitas vezes, o rendimento das colheitas pode ser melhorado inserindo ou eliminando genes. Depois de criar uma planta transgênica que superexpressa a fluorescência amarela nas folhas, a equipe anexou o RNA que interfere na expressão da proteína fluorescente a um CPP. Como esperado, pulverizar as folhas com este complexo silenciou a expressão de florescência amarela.
"Esse resultado foi crítico", diz Odahara, "porque é importante que qualquer alternativa à modificação genética seja capaz de alcançar o mesmo resultado funcional".
Por fim, os pesquisadores conseguiram silenciar genes específicos de cloroplastos de maneira semelhante quando incluíram um peptídeo direcionado a cloroplastos a um complexo CPP-RNA específico.
“As mitocôndrias e os cloroplastos regulam grande parte da atividade metabólica de uma planta”, diz Odahara. "Direcionar essas estruturas com moléculas bioativas entregues via spray pode efetivamente melhorar as características de qualidade economicamente desejáveis nas culturas. Nosso próximo passo é melhorar a eficiência do sistema de entrega. Em última análise, esperamos que este sistema possa ser usado para proteger as culturas de parasitas ou outros fatores prejudiciais”.
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