Pesquisadores da North Carolina State University usaram um sistema de edição de genes CRISPR para produzir choupos com níveis reduzidos de lignina, a principal barreira para a produção sustentável de fibras de madeira, ao mesmo tempo em que melhoravam suas propriedades. As descobertas – publicadas na revista Science – prometem tornar a produção de fibras para tudo, desde papel até fraldas, mais ecológica, mais barata e mais eficiente.
Liderada pelo pioneiro do CRISPR do estado da Carolina do Norte, Rodolphe Barrangou, e pelo geneticista de árvores Jack Wang, uma equipe de pesquisadores usou modelagem preditiva para definir metas de redução dos níveis de lignina, aumentando a proporção de carboidratos para lignina (C/L) e aumentando a proporção de dois importantes construtores de lignina blocos – siringil a guaiacil (S/G) – em choupos. Essas características químicas combinadas representam um ponto ideal para a produção de fibras, dizem Barrangou e Wang.
“Estamos usando o CRISPR para construir uma floresta mais sustentável”, disse Barrangou, Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor de Alimentos, Bioprocessamento e Ciências da Nutrição na Carolina do Norte e co-autor correspondente do artigo. “Os sistemas CRISPR fornecem a flexibilidade para editar mais do que apenas genes únicos ou famílias de genes, permitindo uma maior melhoria nas propriedades da madeira”.
O modelo de machine learning previu e classificou quase 70.000 estratégias diferentes de edição de genes visando 21 genes importantes associados à produção de lignina – alguns alterando vários genes de cada vez – para chegar a 347 estratégias; mais de 99% dessas estratégias tiveram como alvo pelo menos três genes.
A partir daí, os pesquisadores selecionaram as sete melhores estratégias sugeridas pela modelagem que levariam a árvores que atingiriam o ponto químico ideal – 35% menos lignina do que árvores selvagens ou não modificadas; Rácios C/L que eram mais de 200% superiores aos das árvores selvagens; relações S/G que também eram mais de 200% maiores do que as árvores selvagens; e taxas de crescimento das árvores semelhantes às das árvores silvestres.
A partir dessas sete estratégias, os pesquisadores usaram a edição de genes CRISPR para produzir 174 linhagens de choupos. Após seis meses em uma estufa do estado da Carolina do Norte, um exame dessas árvores mostrou um teor de lignina reduzido de até 50% em algumas variedades, bem como um aumento de 228% na relação C-L em outras.
Curiosamente, dizem os pesquisadores, reduções de lignina mais significativas foram mostradas em árvores com quatro a seis edições de genes, embora árvores com três edições de genes tenham mostrado redução de lignina de até 32%. As edições de um único gene falharam em reduzir muito o conteúdo de lignina, mostrando que o uso de CRISPR para fazer alterações multigênicas poderia conferir vantagens na produção de fibras.
O estudo também incluiu modelos sofisticados de produção de celulose que sugerem que a redução do teor de lignina nas árvores pode aumentar o rendimento da celulose e reduzir o chamado licor negro, o principal subproduto da celulose, o que pode ajudar as fábricas a produzir até 40% mais fibras sustentáveis.
Finalmente, as eficiências encontradas na produção de fibras podem reduzir os gases de efeito estufa associados à produção de celulose em até 20% se a lignina reduzida e as razões C/L e S/G forem alcançadas em árvores em escala industrial.
As árvores da floresta representam o maior sumidouro de carbono biogênico da Terra e são fundamentais nos esforços para conter as mudanças climáticas. São pilares dos nossos ecossistemas e da bioeconomia. Na Carolina do Norte, a silvicultura contribui com mais de US$ 35 bilhões para a economia local e mantém aproximadamente 140.000 empregos.
“A edição do genoma multiplex oferece uma oportunidade notável para melhorar a resiliência, a produtividade e a utilização da floresta em um momento em que nossos recursos naturais são cada vez mais desafiados pelas mudanças climáticas e pela necessidade de produzir biomateriais mais sustentáveis usando menos terra”, disse Wang, professor assistente e diretor do Grupo de Biotecnologia Florestal da Carolina do Norte e co-autor correspondente do artigo.
Os próximos passos incluem testes contínuos em estufa para ver como as árvores editadas por genes se comportam em comparação com as árvores selvagens. Mais tarde, a equipe espera usar testes de campo para avaliar se as árvores editadas por genes podem lidar com o estresse causado pela vida ao ar livre, fora do ambiente controlado da estufa.
Os pesquisadores enfatizaram a importância da colaboração multidisciplinar que possibilitou este estudo, abrangendo três faculdades do estado da Carolina do Norte, vários departamentos, a Iniciativa de Ciências de Plantas da Carolina do Norte, o Centro de Inovação em Pesquisa, Tecnologia e Educação Molecular do Estado da Carolina do Norte (METRIC) e universidades parceiras.
“Uma abordagem interdisciplinar para o melhoramento de árvores que combina genética, biologia computacional, ferramentas CRISPR e bioeconomia expandiu profundamente nosso conhecimento sobre crescimento, desenvolvimento e aplicações florestais de árvores”, disse Daniel Sulis, um bolsista de pós-doutorado da NC State e o primeiro autor do papel. “Esta abordagem poderosa transformou nossa capacidade de desvendar a complexidade da genética das árvores e deduzir soluções integradas que poderiam melhorar características ecológicas e economicamente importantes da madeira, reduzindo a pegada de carbono da produção de fibras.”
Com base no legado de longa data de inovações nas áreas de ciências vegetais e silvicultura na Carolina do Norte, Barrangou e Wang criaram uma empresa iniciante chamada TreeCo para promover o uso de tecnologias CRISPR em árvores florestais. Este esforço colaborativo liderado por membros do corpo docente da NC State visa combinar insights genéticos de árvores com o poder da edição do genoma para criar um futuro mais saudável e sustentável.
Publicado em 15/07/2023 13h16
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