Usando a edição do gene CRISPR para fazer melhor o arroz

A população global deverá aumentar de 6,3 bilhões em 2015 para mais de 9 bilhões em 2050¹. À medida que a população humana continua a crescer, os desafios de nos alimentar crescem². Tem sido sugerido que a produção total da safra deve dobrar até 2050³. Os cientistas estão lidando com a iminente escassez de alimentos². Eles estão tentando reproduzir e desenvolver culturas com maior rendimento, melhor resistência a pragas e doenças, bem como a seca e outros tipos de estresse. Anteriormente, este tem sido um processo lento. Apenas uma característica pode ser melhorada de cada vez, utilizando técnicas convencionais de criação. Entretanto, uma nova e impressionante tecnologia chamada CRISPR está sendo usada para mudar muitos traços simultaneamente, rápida e facilmente^2-4. CRISPR foi previsto para se tornar uma das tecnologias-chave que fará parte da quarta revolução industrial (juntamente com inteligência artificial, robótica, nanotecnologia, tecnologia da informação (TI) e grandes dados)⁵.

CRISPR é um mecanismo de defesa natural que as bactérias utilizam para evitar que sejam infectadas por vírus^3-7. Para isso, as bactérias utilizam as partes de seus genomas que contêm sequências de base que se repetem muitas vezes, com sequências únicas entre as repetições Eles são chamados de agrupados regularmente entre si de repetições palíndromas curtas e espaçadas ou CRISPR. Eles mantêm pedaços de genomas virais no DNA bacteriano para que possam reconhecer vírus e se defender contra infecções futuras⁷. O DNA invasor de vírus é cortado em pequenos fragmentos e incorporado em um local CRISPR com uma série de pequenas repetições (cerca de 20 pares de bases). O DNA é transcrito e processado para produzir pequenos CRISPR RNAs (crRNAs) que se ligam ao DNA visado e guiam o efeito ou endonucleases que hidrolisam (destroem) o DNA invasor visado⁷. A segunda parte do mecanismo de defesa é um conjunto de enzimas chamado Cas (proteínas associadas ao CRISPR), que pode cortar a seqüência de DNA viral, hidrolisá-la e destruir os vírus invasores. Felizmente, os genes que codificam as enzimas Cas estão sempre localizados perto das seqüências CRISPR. A enzima Cas mais conhecida e útil é a Cas⁹, que vem de Streptococcus pyogenes, que causa estreptococos na garganta. Quando combinado com CRISPR, ele se torna o sistema CRISPR/Cas9. Muitas vezes isso é simplesmente abreviado como CRISPR. Assim, o Cas9 catalisa a hidrólise do DNA, enquanto o CRISPR mostra onde fazer a hidrólise. O mesmo sistema pode ser usado pelos cientistas para cortar e colar quase qualquer seqüência de DNA desejada. Genes defeituosos podem ser cortados e substituídos com o gene desejado, funcionando, ou para inserir novos genes que dão ao receptor melhores qualidades⁷.

Os agrônomos têm usado o CRISPR para fazer cepas de trigo que não são afetadas por fungos mortais, como o oídio⁷. Outros produziram trigo de baixo teor de glúten e não transgênico⁹. CRISPR também tem sido usado para aumentar a produtividade do milho durante o estresse causado pela seca. Ele pode produzir plantas de tomate com rendimentos muito mais altos⁴. CRISPR pode produzir variedades melhoradas de sorgo, milho, milho, mandioca, soja, tomate, batatas, girassóis, morangos e maçãs¹⁰. Também pode produzir melhores colheitas de cereais¹¹. CRISPR tem produzido variedades de arroz que são mais produtivas⁸.

Mais recentemente, o CRISPR tem sido utilizado para produzir versões híbridas de arroz que poderiam revolucionar a agricultura^12-14. Essas novas versões produzem sementes que mantêm sua capacidade de crescer em plantas superiores após mais de uma geração. Ou seja, o vigor híbrido (também conhecido como heterose) é produzido nas plantas da primeira geração (F1) que têm maior rendimento e estabilidade¹⁵. Entretanto, novas sementes híbridas de F1 tiveram que ser produzidas a cada ano porque a progênie F2 tem traços mais pobres. O arroz, que é o alimento básico para o excesso da humanidade, tem uma taxa de cruzamento naturalmente baixa e a produção de sementes híbridas F1 tem sido cara. Ou seja, o cruzamento de variedades não relacionadas para melhorar a expressão dos traços desejados no arroz não tem sido fácil. Isto mudou quando os pesquisadores conseguiram produzir sementes F1 que podem ser propagadas clonalmente. Eles usaram CRISPR para inativar três genes em uma única etapa. Estas sementes produziram sementes clonadas através de várias gerações. Estas sementes permitem a apomixia, ou a reprodução assexuada sem sementes. O apomixis ocorre na natureza e tem sido utilizado na agricultura para produzir plantas com propriedades superiores. Agora que o apomixis sintético com CRISPR é possível, ele pode ser usado não apenas em arroz, mas também em muitas outras culturas.