Quando o físico Richard Feynman morreu em 1988, ele deixou uma nota em seu quadro negro que dizia: “O que não consigo criar, não entendo”. Feynman pode ter refletido sobre a natureza da compreensão científica, mas o sentimento também reflete o espírito da biologia sintética. Esse campo científico trata da desconstrução e manipulação precisa de processos biológicos para testar nossa compreensão deles.
“Todo mundo na biologia sintética adora essa citação”, disse Patrick Shih, biólogo de plantas sintéticas da Universidade da Califórnia, Berkeley. “É praticamente o princípio central.”
Novos trabalhos em plantas marcam um avanço importante na concretização dos objetivos mais ambiciosos da biologia sintética. A estudo publicado no mês passado in Ciência criou uma espécie de circuito genético nas raízes das plantas, na verdade programando como elas crescem. Pesquisadores da Universidade de Stanford, liderados por Jennifer Brophy, um bioengenheiro e José Dinneny, biólogo de sistemas vegetais, desenvolveu um kit de ferramentas genéticas para controlar se os sistemas radiculares de duas espécies de plantas cresciam mais lateralmente ou horizontalmente e o quanto as raízes se ramificavam. O seu trabalho confirma modelos genéticos de crescimento vegetal e mostra pela primeira vez que é possível programar padrões funcionais de atividade genética ao longo do tempo em tecidos específicos de organismos complexos.
O novo kit de ferramentas genéticas deve ser muito útil para outros biólogos sintéticos em seus próprios experimentos futuros. No entanto, os resultados das experiências dos investigadores não foram tão simples como Brophy e os seus colegas esperavam, mostrando os desafios da aplicação de portas lógicas digitais a sistemas vivos confusos.
Religando o crescimento da raiz
Embora os biólogos sintéticos tenham inserido sistemas de controle genético em bactérias e células complexas cultivadas por cerca de duas décadas, questões técnicas tornaram muito mais difícil para eles fazer isso com organismos multicelulares complexos, como as plantas. Assim, para construir o seu circuito biológico, Brophy, Dinneny e os seus colegas reuniram e refinaram um conjunto de ferramentas moleculares, incluindo pedaços de vírus modificados e de bactérias que causam tumores em plantas. Os biólogos sintéticos muitas vezes criam as técnicas e os elementos genéticos de que necessitam como únicos para organismos e experimentos específicos, mas a equipe de Stanford estava mais interessada em montar um kit de ferramentas de uso geral que pudesse ser adaptado para diferentes organismos, conforme necessário.
Com este kit de ferramentas personalizável, os pesquisadores adaptaram os circuitos genéticos aos seus organismos específicos. Neste caso, eles usaram dois organismos modelo populares – Arabidopsis thaliana, um parente das plantas de mostarda, e Nicotiana Benthamiana, primo do tabaco.
Os pesquisadores criaram elementos promotores sintéticos que, como interruptores liga/desliga, se ligariam a vários genes-alvo envolvidos no crescimento das raízes e os ativariam. Eles então vincularam esses elementos de controle uns aos outros como portas lógicas booleanas em um circuito programável. Os controles permitiram que os pesquisadores recrutassem as próprias proteínas da planta para impulsionar – ou inibir – o crescimento das raízes.
Eles fizeram com que as plantas expressassem uma ampla gama de variações programadas de raízes, desde uma extensa teia de pêlos radiculares até uma única e longa raiz principal. O seu objectivo era demonstrar um controlo flexível, em vez de produzir um resultado desejado específico. “É uma prova de conceito”, disse Oliver Martins, pesquisador do Instituto Nacional Francês de Pesquisa para Agricultura, Alimentação e Meio Ambiente que não esteve envolvido na nova pesquisa.
O controlo sobre o crescimento dos sistemas radiculares pode ser revolucionário para a agricultura, especialmente nas regiões afectadas pela seca, onde a vida pode tornar-se mais terrível com as alterações climáticas em curso. As culturas poderiam ser programadas para desenvolver sistemas radiculares superficiais para absorver rapidamente chuvas fortes mas pouco frequentes, ou para enviar as suas raízes directamente para baixo e mantê-las bem compactadas para evitar interferir no espaço de um vizinho.
As aplicações não se limitam à agricultura. As plantas são “químicos da natureza”, disse Martin. “Eles produzem uma diversidade incrível de compostos.” Aproveitar essa capacidade através da biologia sintética poderia permitir aos investigadores produzir novos produtos farmacêuticos em grande escala.
Lutando contra a inconsistência
Mas os frutos da biologia vegetal sintética ainda não estão prontos para chegar aos mercados agrícolas ou às prateleiras das drogarias. Embora a maioria das plantas nas experiências de Stanford se comportasse de acordo com a sua programação, a sua expressão genética não era tão clara como os investigadores esperavam. “Mesmo chamá-lo de booleano ou digital é difícil porque os estados ‘desligados’ não estão completamente desligados e os estados ‘ligados’ são relativos”, disse Brophy.
Nas raízes, um estado “desligado” foi indicado por uma coifa completa, uma camada de células na ponta de uma gavinha que impede o crescimento adicional. Os estados “ligados” foram simplesmente definidos pela presença de uma raiz ou rootlet. Mas os investigadores observaram que algumas raízes no estado “desligado” desenvolveram apenas uma cobertura radicular parcial – o suficiente para parar o crescimento após um certo ponto, mas não o suficiente para o impedir completamente. Essas expressões aberrantes surgiram com mais frequência quando a equipe aplicou uma porta lógica desenvolvida para o Nicotiana para uma Arabidopsis plantar; eles tenderam a desaparecer depois que o kit de ferramentas foi ajustado para Arabidopsis genes.
Embora este tipo de expressão parcial aumente os desafios que a biologia sintética enfrenta, Shih disse que também pode ter vantagens: pode tornar as plantas sujeitos mais fáceis para testes experimentais do que os animais, uma vez que a expressão genética parcial em animais é muitas vezes menos óbvia (e mais fatal). .
Devang Mehta, biólogo de sistemas da Universidade de Alberta, no Canadá, que não esteve envolvido no estudo, considera a pesquisa de Brophy e Dinneny um “grande passo em frente” na biologia sintética dos organismos. No entanto, ele adverte que não devemos subestimar o quão desafiador será o próximo passo.
“Coisas como a lógica booleana, em particular, são muito úteis em ambientes confinados, onde você pode realmente controlar as variáveis ambientais”, disse Mehta. “Isso é muito mais difícil de fazer em um ambiente natural.”
Isso ocorre porque as plantas e outros seres vivos respondem altamente ao seu ambiente de uma forma que os computadores não o fazem, o que complica o desafio de programá-los com circuitos genéticos confiáveis. Brophy os compara a uma calculadora, para a qual 2 mais 2 é sempre igual a 4. “Seria problemático se 2 mais 2 fosse igual a 3 quando estava frio e 5 quando estava muito claro”, disse ela. Para implementar um circuito genético booleano em culturas como o milho ou o trigo que crescem num campo, os biólogos sintéticos devem conceber uma forma de controlar o clima ou, mais realisticamente, evitar que as plantas respondam tão fortemente ao calor, ao frio e à chuva.
“Essa é uma limitação importante sobre a qual o campo precisa ser muito franco”, disse Shih. Ele vê o trabalho de Brophy e Dinneny como um roteiro preliminar para enfrentar este desafio. “Agora podemos ver quais [ferramentas] funcionam e quais não.”
Nota do editor: Como bolsista da Faculdade HHMI-Simons, Dinneny recebeu financiamento da Fundação Simons, que também apoia Quanta, esta revista editorialmente independente de jornalismo científico.
