Crispr pode acelerar processos naturais e mudar a forma como os alimentos são cultivados

Levou milhares de anos para a humanidade trazer um tomate bonito e suculento de uma planta com frutas do tamanho de ervilhas. Agora, com a edição de genes, os cientistas podem mudar tudo.

Como qualquer agricultor que se preze, Zachary Lipman resmungou sobre o clima. Firmemente derrubado, com cabelos e barba curtos, Lipman estava em uma estufa no meio de Long Island, cercado por uma vegetação abundante e exuberante. "Oh, nem pergunte", ele disse sobre o final da primavera e da primavera. Era terça-feira, meados de abril, mas a previsão falava sobre a probabilidade de neve cair e um vento frio soprava por toda a ilha. Este não é o clima que lembra os tomates de verão. Mas Lipman estava pensando no futuro, Memorial Day [última segunda-feira de maio / aprox. trans.] quando milhares de mudas de tomate cuidadosamente plantadas serão transferidas das estufas para a terra fértil de Long Island. Ele esperava que o tempo finalmente mudasse.

Embora tenha trabalhado em uma fazenda na adolescência e ainda tenha um apego romântico à terra, Lipman não é fazendeiro. Ele é botânico no Cold Spring Harbor Laboratory em Nova York, estudando genética e desenvolvimento de plantas. E todas essas plantas de estufa não são tomates comuns.

Apresentando-me ao seu companheiro regular Charlie (um cruzamento sociável e babado entre um Labrador e um Rottweiler), Lipman me levou por centenas de plantas que se entregam a uma temperatura diária de 27 ºC, umidade de 40 a 60%, estimulando-as para a fotossíntese de 14 horas usando lâmpadas de descarga de sódio alta pressão . Algumas das plantas mal brotavam; outros apenas começaram a revelar suas características flores amarelas, prenunciando frutos futuros; e alguns estavam quase maduros, e seus frutos vermelhos derramaram peso.

Esta estufa se distingue pelo fato de 90% de suas plantas terem sido geneticamente modificadas usando a tecnologia mágica de edição de genes conhecida como Crispr / Cas-9 - o que provavelmente o torna o epicentro de uma revolução na botânica que pode mudar para sempre o futuro não apenas dos tomates, mas também e muitas outras culturas alimentares. Lipman e Joyce van Ek, sua parceira de longa data do Instituto Boyce Thompson em Ithaca, Nova York, pertencem a um pequeno exército de pesquisadores que usa edição de genes para transformar um tomate em um rato de laboratório de botânica. Nesta estufa, Crispr é um verbo, toda planta é um experimento e um mutante não é uma palavra ruim.

Lipman foi para a parte de trás do prédio e apontou para vários tomates de uma variedade grande e especial - uma das opções comerciais que são vendidas em supermercados e não nos mercados dos agricultores. Esta planta, com cerca de dois meses de idade, dobrava-se sob o peso de frutas grandes e quase maduras. Era um mutante, como Lipman explicou, que eles chamam de "Nó". A maioria dos tomates no caule, perto do local onde o feto está se formando, tem um aglomerado de tecidos inchado, um nó. Quando o tomate amadurece, ele diz a si mesmo, como disse Lipman: "OK, eu amadureci - está na hora de cair", as células do nó recebem um sinal para morrer e soltam o tomate. Então a natureza espalha sementes de tomate; mas esse nó sempre foi um problema desagradável na agricultura, pois deixou uma parte do caule fazendo buracos nos frutos colhidos mecanicamente. Tomates sem nós, a partir dos quais o caule da raiz pode ser arrancado, foram obtidos e cultivados para uso comercial, mas geralmente mostraram efeitos colaterais. Essas versões geneticamente modificadas evitam as conseqüências não intencionais do melhoramento tradicional. "Agora podemos usar o Crispr para trabalhar diretamente com o gene, cortá-lo com uma tesoura molecular, o que leva a uma mutação", disse Lipman. "E voila: a propriedade sem chave de qualquer variedade que você precisa."

Passamos a vários exemplos de Physalis pruinosa, um parente do physalis vegetal , produzindo frutos pequenos e suculentos do physalis. Esta planta ainda não foi capaz de domesticar, e Lipman descreve sua versão selvagem como um "monstro": alto, desarrumado e ganancioso, dando uma fruta miserável por broto. Um physalis cresceu próximo a ele, no qual os cientistas causaram uma mutação chamada "auto-aparar". Era duas vezes menor, não tão espessa, e em cada processo cinco a seis frutas apareciam. Lipman arrancou uma fruta do mutante e a ofereceu para mim.

"Cheire primeiro", ele perguntou. "Aprecie o cheiro." O cheiro era exótico e um pouco tropical. Coloquei na boca e mordi, obtendo uma explosão de gostos diferentes. Assim como seus tomates comuns, o sabor acabou sendo misterioso, manchado com o agridoce, decorado com componentes voláteis que encontraram meu nariz e complementaram o sabor.

"Você acabou de comer uma planta editada", disse Lipman com um sorriso. "Mas não se preocupe muito."


Zach Lipman entre os tomates editados


Arbusto de tomate geneticamente editado

Lipman, como a maioria dos cientistas, acredita que as plantas geneticamente modificadas são seguras. Mas seu sorriso malicioso reconhece que nem todo mundo considera essa tecnologia inofensiva. Existem muitas preocupações associadas à edição genética de plantas. As culturas OGM, como milho ou soja, têm penetrado em alimentos, ração animal e biocombustíveis há muitos anos, e a batalha em torno deles dividiu a sociedade nos Estados Unidos e em outros países. A revolução Crispr está reinventando ou até reacendendo esse debate. A maioria das plantas existentes hoje foi editada através da remoção de genes (através de mutações), e não através da introdução de sequências genéticas retiradas de outras espécies, como na primeira geração de modificações genéticas, que criaram medo da poluição Frankensted e ambiental. Precisamente porque a edição agora ocorre removendo e não adicionando, os cientistas argumentam que a forma atual de edição de genes imita as mutações que ocorreram durante o melhoramento agrícola clássico. Essa diferença pode não tranquilizar os críticos, mas persuadiu os reguladores estaduais; soja e batata geneticamente modificadas já estão crescendo, e em março passado o Departamento de Agricultura dos EUA anunciou que as colheitas obtidas através da edição genética eram "indistinguíveis" daquelas obtidas pela seleção tradicional e não "exigiam supervisão do estado".

O futuro dos alimentos está cheio de perguntas: como alimentar 9 bilhões de bocas, como cultivar em uma era de incerteza climática sem precedentes, como criar alimentos mais persistentes e nutritivos para o público preocupado com as novas tecnologias. Os botânicos já usam o Crispr e tecnologias relacionadas para mudar radicalmente as plantas - eles editam o trigo para reduzir seu teor de glúten, a soja para produzir manteiga mais saudável, o milho para aumentar a produção, as batatas para melhorar o armazenamento (e reduzir o desperdício cancerígeno durante o cozimento). Laboratórios industriais e científicos estão desenvolvendo novas ferramentas de edição que podem afetar seriamente os alimentos que todos comemos. No entanto, essa nova capacidade de transformar alimentos coincidiu com a consolidação da agricultura em três megaconglomerados. Essas empresas têm os meios para lançar novas tecnologias. A questão é por que eles vão usá-lo.

Soja, batata e milho secretamente se integram na cadeia alimentar, mas o tomate acrescenta um grande ponto de exclamação vermelho ao debate atual. Provavelmente, nenhuma outra colheita de alimentos pode ser mais simbólica, dado o que está em jogo em termos de agricultura, biologia, cultura e cultivo de alimentos caseiros. Tomate - o rei dos mercados de agricultores, a pérola da horta, alfa-vegetais lokavorov . Na estufa de Lipman, existem apenas algumas opções de como a edição de genes já altera os tomates - ele tem plantas que florescem mais cedo, ignoram a presença ou ausência de iluminação, ocupam uma área menor, colocam várias frutas no caule de uma só vez.

Para pessoas que gostam de comer ou cultivar tomates (eu sou de ambas as categorias), a aparência do Crispr causa cinismo e esperanças vertiginosas para o futuro do nosso amado vegetal. O cinismo surge porque a maioria dos esforços científicos práticos perpetua o sabor fresco dos tomates cultivados comercialmente. Em certo sentido, isso é simplesmente um sinal da vitória dos produtores de alimentos que buscam uma safra maior por menos dinheiro do que os gostos dos consumidores que recebem sabor e nutrição. (Harry Klee, especialista em tomate da Universidade da Flórida, diz que o tamanho do tomate ideal para a indústria deve corresponder exatamente ao tamanho de um hambúrguer do McDonald's.) E espero - porque há algo intrigante no uso da nova tecnologia para preservar uma explosão deliciosa e agridoce da variedade de tomate da família em uma planta mais resistente a doenças.

Depois de um passeio com Lipman pelo seu jardim de mutações feitas por um homem, não pude deixar de perguntar se as variedades da família que tento crescer a cada ano receberão da tesoura Crispr.

"Não editamos o tipo de família", disse Lipman. Tchau. Mas isso já está em desenvolvimento. Eles podem se beneficiar de pequenos ajustes. ”


Tomate mima e faz fotossíntese no Instituto Boyce Thompson

Esta é uma história sobre tomates. Mas também, como todas as histórias agrícolas, há uma história sobre mutações, tanto naturais quanto artificiais, astutas, invisíveis e mutações excessivamente grotescas criadas em laboratório no início deste ano, e aquelas que poderiam ter acontecido 10.000 anos de volta, como as que transformaram Solanum pimpinellifolium (tomate de groselha), uma erva perene desordenada que produz frutos do tamanho de ervilhas e cresce na costa do Pacífico no Peru e Equador, nesses belos e enormes frutos de variedades familiares que crescem em seu jardim. Nosso dicionário cultural deixou a palavra "mutação" apenas um significado zombeteiro, mas se você acha que essa palavra é ruim, provavelmente não deve ler mais - e não come vegetais. O princípio básico do melhoramento de plantas é tirar proveito de alterações genéticas, mutações, independentemente de essas mutações serem causadas pela luz solar, raios X ou Crispr. Como Klee diz, "não conheço uma única cultura alimentar que possa ser encontrada em um supermercado que não tenha mudado drasticamente em comparação com sua versão de cultivo selvagem".

Qualquer jardineiro é, voluntária ou involuntariamente, um especialista em mutações. Todas as várias variedades de tomates da família - Brandywine de casca fina, Joan Flamm brilhante como damasco, Crimeia negra esverdeada e minha amada Bernese Rose, rosada e de sabor delicioso - são produtos de mutações de baixa qualidade de longa data.


Locais de pesquisa em Cold Spring Harbor, onde crescem cerca de 8.000 plantas geneticamente editadas

Toda primavera, sento no chão com um monte de vasos cheios de turfa e solo inicial e espremo desajeitadamente as sementes das variedades acima em solo virgem. Minha esposa se pergunta por que não devo comprar imediatamente mudas prontas no mercado, como todo mundo, mas ainda não superei minha alegria infantil de ver como um pedacinho de DNA de planta, cercado por uma casca dura de semente, se transforma em uma planta de um metro e meio que libera seu impecável presentes. Os jardineiros - os primeiros biólogos autodidatas - conhecem essa delícia. Como Lipman. Foi assim que ele assumiu a edição genética dos tomates.

Lipman cresceu em Milford, Connecticut. Seu pai ensinava sua língua nativa e sua mãe trabalhava na área da saúde. Entre suas primeiras lembranças estava uma visita a uma fazenda próxima com seu pai, com 6-7 anos de idade, quando ele colecionava abóboras espalhadas por aqui e ali, com suas formas e cores incríveis.

Esse campo de abóbora pertencia à fazenda de Robert Trit e, quando Lipman completou 13 anos, começou a trabalhar lá todo verão, cultivando seu amor pelas plantas. Quando se formou no ensino médio em 1996, decidiu estudar genética e melhoramento de plantas, primeiro na Universidade de Cornell e depois em Cold Spring Harbor, onde defendeu seu doutorado, e agora trabalha como pesquisador no Howard Hughes Medical Institute.

O escritório de Lipman é um templo de tomate. Nas paredes há etiquetas antigas com tomates enlatados e cartões postais com tomates irrealisticamente enormes, e sobre a mesa, em caixas velhas, em bandejas de madeira e armários de plástico junto à parede, milhares de pequenos envelopes marrons são armazenados com sementes marcadas por ano e série. A relíquia mais característica fica logo à porta - uma grande reprodução em uma moldura de um livro do século 16 de Pietro Andrea Mattioli , que é considerada a mais antiga imagem colorida de um tomate feito imediatamente após a expansão espanhola para a América. Para um geneticista como Lipman, o desenho de Mattioli é especialmente importante porque indica que os habitantes pré-colombianos da América podiam reconhecer uma mutação útil dos tomates - eles já transformaram uma pequena fruta silvestre em uma grande e dourada.


As sementes são armazenadas em caixas e depois plantadas.

Até a década de 1930, os especialistas em agricultura contavam com a mesma tecnologia dos primeiros produtores de tomate na América do Norte: espere pacientemente pela natureza para produzir uma mutação benéfica, seja capaz de reconhecer uma propriedade benéfica (por exemplo, frutas maiores) e crie uma nova variedade com essa propriedade selecionando cepas mutadas e propagando-as. Em outras palavras, a agricultura sempre representou uma seleção não natural - a escolha de uma pessoa por algumas mutações e a rejeição de outras. Durante a Segunda Guerra Mundial, os biólogos aceleraram esse processo ao induzir intencionalmente mutações nas sementes usando produtos químicos, raios-x e outras radiações. Mas neste caso, o processo foi lento. A seleção das propriedades desejadas pode se estender facilmente por dez anos.

Tudo começou a mudar em 2012, um ano crucial para o tomate. Em maio daquele ano, especialistas em genética de plantas concluíram o projeto do genoma do tomate - eles decifraram toda a sequência de DNA, todas as 900 milhões de bases emparelhadas em 12 cromossomos. Então, em junho, um grupo liderado por Jennifer Dudna, da Universidade da Califórnia em Berkeley, publicou o primeiro trabalho sobre uma nova tecnologia de edição de genes, Crispr, que logo foi seguida por grupos do Broad Institute do MIT e Harvard. Esses dois fluxos de pesquisa competiram entre si para descobrir se a nova tecnologia funciona com as plantas.

Assim que surgiram informações sobre Crispr, Lipman pensou: “É possível aplicá-las aos tomates? Avançar, se possível. Foi necessário realizar rapidamente um experimento com os genes do tomate, o que poderia provar a eficácia do Crispr sem demora. Qual gene Lipman e van Ekk miraram? Ninguém que melhorasse o tamanho ou a forma do feto, pois levaria muito tempo e van Ekk estava impaciente. "Não quero que ele seja plantado em uma estufa e espere até que ele cresça", disse ela a Lipman. "Quero que vejamos algo já na placa de Petri." Então eles escolheram um gene que era completamente inútil economicamente e ainda menos útil do ponto de vista do consumidor. Era um gene estranho que, como resultado de uma mutação, produzia folhas de tomate mutiladas que pareciam agulhas. A versão mutada foi chamada "wire".

A mutação do fio era tão pouco conhecida que van Ekk teve que desenterrar um trabalho de 1928 descrevendo-o para entender o que precisava procurar. Para cada mutação usando a tecnologia Crispr, é necessária uma ferramenta especialmente preparada chamada "construção" - um RNA guia que permite direcionar um gene específico do tomate e sua enzima associada, que corta o DNA da planta no lugar certo. Nesse caso, Lipman desenvolveu uma construção que tem como alvo o gene do fio e o corta. A rigor, a mutação é causada não pela tecnologia Crispr, mas pela própria planta, tentando curar a ferida. Van Ek usou uma bactéria que infecta perfeitamente as plantas para trazer a mutação Crispr para as células de tomate. Após a mutação, essas células foram transferidas para placas de Petri, onde começaram a se desenvolver, dando origem a plantas. Van Ekk ainda tinha que esperar alguns meses para que as células do tomate se transformassem em brotos e brotassem com folhas, mas a espera valeu a pena.

"Ainda me lembro de ver as primeiras folhas", lembra ela. Eles foram torcidos à semelhança de agulhas. “Adorável, funcionou!” Ela chorou e correu pelos corredores do instituto, dizendo a todos que estavam prontos para ouvir sobre isso. "Eu estava no pelotão, porque, bem, o que realmente funciona da primeira vez?"

Eles não apenas demonstraram que o Crispr é capaz de causar uma mudança de característica herdada nas culturas alimentares, mas também receberam o resultado em alguns meses, em vez de um ano. Eles sabiam que o mesmo processo, em princípio, poderia ser usado para editar, com extrema precisão e velocidade sem precedentes, qualquer gene em qualquer cultura.

Assim que se convenceram de que tudo funcionava, Lipman e van Ekk começaram a "triturar" todas as propriedades que eles só queriam estudar nos últimos 15 anos. Um deles se tornou uma propriedade sem sentido. Por 60 anos, os pesquisadores tentam resolver o problema de ter um nó em uma sessão de tomate. – 10 – , , , . , , , . , : , - . – – .

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Physalis pruinosa

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