Notas de pesquisa | O caminho para o desenvolvimento de plantas luminescentes
O seguinte artigo é originário da Mol Plant Plant Science , autores Ge Jieyu e Du Hao
No planeta Pandora e na deslumbrante paisagem marinha apresentados no filme de ficção científica Avatar, podemos admirar a beleza radiante de plantas bioluminescentes como a samambaia War Feather, a grama-medusa e o junco de folhas peludas, revelando maravilhas noturnas e segredos subaquáticos. Os cientistas estão se esforçando para transformar a ficção científica em realidade, alcançando uma fusão perfeita entre ciência natural e arte, criando um ambiente de vida mais harmonioso e belo para a humanidade.
Na natureza, existem medusas, bactérias, cogumelos e vaga-lumes luminescentes. Infelizmente, as plantas que fornecem aos seres humanos alimentação, vestuário, habitação, transporte e conforto espiritual não podem iluminar a escuridão da noite para nós. Quando a noite cai, as pessoas geralmente vestem as plantas com "casacos de luz" LED ou as iluminam com faróis altos para criar um efeito estético, mas isso consome uma grande quantidade de eletricidade. De acordo com estatísticas, a iluminação representa aproximadamente 25% de todo o consumo de eletricidade. Na situação atual de extrema escassez de energia e poluição ambiental cada vez mais grave, reduzir o consumo de eletricidade na iluminação é uma via importante para promover a poupança de energia e a redução de emissões. Com o rápido desenvolvimento da biotecnologia, criar plantas luminosas está tornando-se gradualmente possível, o que pode não só proporcionar prazer estético aos seres humanos, mas também economizar energia e impulsionar o desenvolvimento verde e de baixo carbono.
Para isso, os cientistas embarcaram em uma exploração de quarenta anos. Em 1986, pesquisadores da Universidade da Califórnia, San Diego, publicaram na science, demonstrando que, ao expressar o gene codificador da luciferase de vaga-lume em plantas de tabaco e adicionar um substrato exógeno, as plantas de tabaco podiam emitir uma luz extremamente fraca (Figura 1). Devido à luz muito fraca e à necessidade de adicionar substratos caros para produzir luminescência, este sistema de iluminação é atualmente usado principalmente em pesquisa básica.
Figura 1
Em 2017, cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, publicaram um artigo de pesquisa na Nano Letters, introduzindo a tecnologia de nanocarregamento para entregar os componentes do sistema de luciferase de vaga-lume às plantas. As plantas injetadas com luciferase podiam emitir um brilho fraco por até 4 horas, chegando até a iluminar o texto de um livro (Figura 2) . No entanto, esse sistema de luminescência também requer substratos exógenos e nanopartículas, e a emissão de luz não é sustentável, limitando a aplicação desse método.
Figura 2
Na floresta também existem alguns cogumelos bioluminescentes, distribuídos principalmente em áreas tropicais e subtropicais com luz relativamente fraca. O mais conhecido é Mycena chlorophosMycena chlorophos (Figura 3), também chamado de cogumelo fluorescente ou cogumelo noturno. Diz a lenda que os antigos gregos usavam esses cogumelos como luzes noturnas, mas sua vida útil é geralmente de apenas três dias. Se forem movidos para um local escuro durante o dia, não emitem luz; só ao entardecer emitem uma leve luz verde, o que indica que sua bioluminescência é periódica.
Figura 3
Em 2018, cientistas da Rússia, juntamente com pesquisadores do Reino Unido, Espanha, Brasil, Japão e Áustria, descreveram abrangentemente o mecanismo da bioluminescência fúngica na Proceedings of the National Academy of Sciences. Eles descobriram que os fungos utilizam apenas quatro enzimas chave para converter o ácido cafeico em luciferina, alcançando assim a luminescência, e que a transferência dessas enzimas para outros organismos também permite a emissão de luz. Em 2020, a equipe publicou um artigo na Nature Biotechnology, onde introduziram os genes codificadores correspondentes a essas quatro enzimas no genoma do tabaco, criando com sucesso tabaco brilhante. Como o substrato luminescente deste sistema é o ácido cafeico, um metabólito endógeno da planta, ele pode emitir continuamente luz visível a olho nu (Figura 4) , com as flores mais brilhantes produzindo 6.47×1010 fótons/min/cm2. Em março do mesmo ano, a Universidade de Minnesota nos Estados Unidos publicou um artigo intitulado "Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants" na eLife. Este estudo demonstrou a expressão transitória do sistema de luminescência fúngica em diferentes espécies, validando a hipótese de luminescência espontânea dentro de uma certa faixa e indicando amplas perspectivas de aplicação para este sistema em plantas. No entanto, a intensidade luminosa desses estudos ainda é relativamente baixa, limitando severamente a aplicação deste sistema de luminescência.
Figura 4
Em 8 de maio de 2023, a equipe de pesquisa liderada pelo pesquisador Du Hao da Faculdade de Agricultura e Biotecnologia da Universidade de Zhejiang publicou um artigo de pesquisa intitulado "Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence" online na renomada revista internacional Plant Biotechnology Journal. O estudo apresentou os mais recentes avanços no campo das plantas luminescentes, criando com sucesso plantas autoluminescentes com brilho significativamente aprimorado (Figura 5). A intensidade luminosa atingiu 3×1012 fótons/min/cm2, e o artigo forneceu uma explicação detalhada das características biológicas e dos mecanismos de luminescência dessas plantas.
Figura 5
Os pesquisadores descobriram que o conteúdo de substratos luminescentes, como o ácido cafeico (Caffeic acid) e a hispidina (Hispidin), é um fator limitante para o aumento da bioluminescência vegetal. A equipe de pesquisa selecionou e identificou genes que promovem a síntese de substratos luminescentes endógenos nas plantas. Eles introduziram o gene BnC3’H1 de Brassica napus e o gene AnNPGA de Aspergillus nidulans no sistema de luminescência fúngica, criando com sucesso plantas com luminescência significativamente aumentada. Os dados de LC-MS/MS indicaram que a introdução desses dois genes foi fundamental para aumentar os substratos luminescentes e, consequentemente, melhorar a luminescência.
Considerando que as plantas luminescentes têm uma ampla gama de aplicações potenciais, desde pesquisa biológica básica até decoração paisagística, a equipe estudou o impacto do ambiente de crescimento das plantas nos sistemas luminescentes. A intensidade luminosa responde de maneira diferente a vários estresses abióticos, e seu padrão de resposta reflete mudanças nos níveis de expressão de genes-chave na via biossintética de substratos luminescentes endógenos nas plantas. Por meio de uma série de experimentos de tratamento, a equipe de pesquisa descobriu que a energia inicial para a luminescência das plantas vem dos açúcares (Figura 6) . Além disso, como organismos fotoautotróficos, as plantas têm vantagens únicas em relação aos animais e microrganismos; elas podem produzir todos os substratos e cofatores necessários para a operação do sistema luminescente, incluindo coenzima A, malonil-CoA, NADPH, ATP, prótons e oxigênio (Figura 6) , por meio da fotossíntese e da respiração.
Figura 6
Os autores também testaram este sistema luminescente em outras plantas ornamentais, confirmando ainda mais a ampla aplicabilidade do sistema de bioluminescência fúngica em plantas herbáceas e lenhosas perenes. Eles selecionaram o choupo, uma árvore de rua comum na China, para transformação genética, e conseguiram criar árvores de choupo luminescentes por meio de análises fenotípicas e moleculares. Pesquisadores da equipe do Dr. Du Hao apresentaram que este sistema luminescente tem amplas aplicações e pode ser desenvolvido como uma ferramenta para detectar macromoléculas biológicas básicas em animais e plantas no futuro. Permitirá a detecção sem depender de instrumentos grandes e caros, permitindo a observação visual ou o uso de câmeras de nível consumidor para atingir os objetivos de detecção. Além disso, o processo de luminescência deste sistema não requer a adição de substratos exógenos, tornando-o adequado para detecção in vivo de alto rendimento com baixo custo e alta conveniência. Adicionalmente, este sistema pode ser usado como biossensor para detecção de culturas, oferecendo amplas aplicações nos campos da agricultura saudável e da agricultura inteligente. Segundo informado, a equipe de pesquisa continua desenvolvendo métodos para aumentar a luminância das plantas luminescentes e criar ferramentas para pesquisa biológica. Em breve, trarão mais surpresas para todos.
Num futuro próximo, surgirão novos modelos de utilização da bioenergia nas nossas vidas, ou seja, um novo modelo de conversão e utilização de bioenergia composto por plantas luminescentes—durante o dia, podem converter energia solar em matéria orgânica através da fotossíntese e fixar o CO2 do ar; à noite, libertam energia luminosa através do catabolismo para iluminação de baixa luminância. Isto ajuda a poupar eletricidade, reduzir as emissões de carbono, fornece novas estratégias para alcançar os objetivos de "duplo carbono" e permite-nos experienciar a maravilhosa diversidade e a beleza impressionante da vida no mundo real de "Avatar".
Zheng Peng, pesquisador de pós-doutorado no Colégio de Agricultura e Biotecnologia da Universidade de Zhejiang e no Centro Internacional de Inovação de Hangzhou da Universidade de Zhejiang, e Ge Jieyu, estudante de mestrado no Colégio de Agricultura e Biotecnologia da Universidade de Zhejiang, são os primeiros autores conjuntos deste artigo. O pesquisador Du Hao do Colégio de Agricultura e Biotecnologia da Universidade de Zhejiang e do Centro Internacional de Inovação de Hangzhou da Universidade de Zhejiang é o autor correspondente. O pesquisador Wu Jianping da Universidade Westlake, o professor Lu Mengzhu da Universidade Agrícola e Florestal de Zhejiang, o doutor Ma Siqi do Instituto de Pesquisa do Tabaco de Qingdao da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas, e os pesquisadores Fan Pengxiang e Pan Ronghui do Colégio de Agricultura e Biotecnologia da Universidade de Zhejiang, prestaram grande assistência a este estudo. A professora Jen Sheen da Universidade de Harvard ofereceu muitas sugestões para a redação do artigo. Os vetores esqueleto utilizados no estudo foram obtidos da equipe do acadêmico Liu Yaoguang e do pesquisador Zhu Qinlong da Universidade Agrícola do Sul da China. Esta pesquisa foi financiada pelo Plano Principal de P&D da Província de Zhejiang (2020C02002), pela Fundação de Ciências Naturais da Província de Zhejiang (Y21C020015 e LQ22C020002), pelo Programa de Cooperação Internacional da Universidade de Zhejiang e pelos Fundos Especiais para Operações Básicas de Pesquisa das Universidades Centrais (K20200168).
O link original é o seguinte:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14068
Referências
Ow, D.W. et al. Expressão transitória e estável do gene da luciferase de vaga-lume em células vegetais e plantas transgênicas. Science, 1986. 234, 856–859
Kwak, S.Y., Giraldo, J.P., Wong, M.H., et al. Uma planta nanobiônica emissora de luz. Nano Lett. 2017,17, 7951–7961.
Kotlobay AA, Sarkisyan KS, Mokrushina YA, et al. Sistema bioluminescente geneticamente codificável de fungos. Proc Natl Acad Sci USA. 11 de dezembro de 2018;115(50):12728-12732.
Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, et al. Plantas com autoluminescência geneticamente codificada. Nat Biotechnol. 2020 ago;38(8):944-946.
Khakhar A, Starker CG, Chamness JC, et al. Construindo repórteres personalizáveis autoluminescentes baseados em luciferase em plantas. Elife. 2020 Mar 25;9:e52786.
Zheng P, Ge J, Ji J, et al. Engenharia metabólica e investigação mecânica da autoluminescência vegetal aprimorada. Plant Biotechnol J. 8 de maio de 2023.
Autores | Ge Jieyu, Du Hao
Fonte: Mol Plant Plant Science