A tecnologia CRISPR/cas9 é uma das maiores inovações da ciência moderna na área de biologia molecular. A possibilidade de edição gênica em níveis nunca imaginados, tornaram a técnica aplicável a diversos segmentos da medicina e ciência biológicas.
Mas, o potencial da CRISPR não se resume somente a estas áreas de pesquisa. Cada vez mais, setores do agronegócio tem investido na tecnologia para aperfeiçoamento de sementes e plantas, por exemplo, melhorando a produtividade.
Nesse sentido, em recente pesquisa científica, pesquisadores norte-americanos utilizaram o sistema de edição genética CRISPR para criar árvores com menor teor de lignina, de forma a melhorar as propriedades da madeira e torná-la mais sustentável [1].
Produção sustentável de madeira
Sem dúvidas, a madeira é a biomassa carbônica mais abundante do planeta, fornecendo anualmente mais de 170 milhões de toneladas métricas de fibras virgens para a confecção de diversos produtos como tecidos, papel, embalagens, entre outros [2].
Apesar da sua importância econômica, o uso desse tipo de matéria-prima possui limitações que incluem o aspecto ambiental e o uso de árvores florestais cujas propriedades da madeira não são otimizadas em termos de produtividade, principalmente pelo alto teor de lignina [1].
A lignina é um polímero fenólico que faz ligações cruzadas com a celulose e hemicelulose, sendo considerada um dos principais constituintes da madeira [5]. Altas concentrações de lignina representam dificuldade de produção e isolamento das fibras celulósicas. Portanto, ajustar a composição química da madeira é uma estratégia muito interessante para melhorar a produtividade do setor [3,4].
Uso de CRISPR para melhoria nas propriedades da madeira
Em estudo publicado recentemente na prestigiada revista Science, cientistas buscaram aprimorar as propriedades da madeira de árvores (álamos) utilizando a edição gênica como ferramenta [1].
O objetivo da pesquisa foi reduzir os níveis de lignina, aumentar a relação carboidrato/lignina e aumentar a proporção de dois importantes blocos de construção de lignina – siringila/guaiacil. Essas são características químicas que, quando combinadas, representam um ponto ideal na produção de fibras de celulose.
Inicialmente, foi necessária a realização de uma modelagem por meio de aprendizado de máquinas para prever e classificar diferentes estratégias de edição gênica, concentrando-se em 21 genes associados à produção de lignina. Ao todo, foram previstas 347 estratégias diferentes, sendo que mais 99% dessas visaram pelo menos a edição de três genes diferentes.
Os especialistas definiram as sete melhores estratégias sugeridas pela modelagem para fornecer árvores com uma composição química ideal, ou seja, com até 35% menos lignina quando comparadas a árvores selvagens, porém com taxas de crescimento semelhantes às silvestres. Por fim, foi aplicada a tecnologia de CRISPR utilizando as estratégias selecionadas, produzindo mais de 170 linhagens diferentes álamos.
A edição gênica é capaz de reduzir o teor de lignina
Dentre os principais resultados apresentados pelo estudo, foi descoberto que, após seis meses de crescimento das árvores, houve redução em até 50% do teor de lignina em algumas variedades de álamo, bem como um aumento de 228% na relação carboidrato-lignina.
As reduções mais significativas de lignina foram encontradas em árvores com quatro a seis edições genéticas. Edições em único gene não foram efetivas, demostrando que o uso de CRISPR para fazer alterações multigênicas poderia conferir vantagens na produção de fibras.
Impactos ambientais e na produtividade
Segundo os pesquisadores, a redução no teor de lignina pode aumentar o rendimento da celulose e reduzir o teor de sólidos do licor negro. O licor negro é um subproduto do processamento químico da madeira para obtenção da celulose, um processo denominado Kraft muito utilizado na indústria de celulose e papel, inclusive no Brasil.
No processo Kraft, a madeira é processada para separação da fibra de celulose e da lignina, utilizando uma solução de soda e sulfeto de sódio. Após esse processo, a lignina se agrega e forma o licor negro em conjunto com outros reagentes químicos.
Esse licor pode ser recuperado, separando os reagentes para sua reutilização no processo, o que diminui o impacto ambiental. Além disso, durante a recuperação há a produção de energia em forma de calor e vapor, o que é convertível eletricidade pela indústria.
Nesse sentido, a redução no teor de lignina na madeira poderia reduzir o gargalo nas caldeiras de recuperação, o que pode ajudar as fábricas a processarem até 40% mais celulose e de maneira mais sustentável, reduzindo o uso de produtos químicos indesejáveis do ponto de vista ambiental. Além disso, o aumento da relação carboidrato-lignina na madeira significa que menos biomassa é necessária para fornecer a mesma quantidade de celulose.
Esse aumento na eficiência pode gerar resultados ainda mais benefícios para o meio ambiente. A indústria de celulose e papel é um dos principais contribuintes para as emissões de gases do efeito estufa. Caso a composição química alcançada no estudo seja elevada para a escala industrial, é possível reduzir de maneira significativa a emissão desses gases.
Apesar dos resultados promissores, é necessário destacar que mais estudos são necessários para verificar a viabilidade das edições gênicas em larga escala. Os próximos passos da pesquisa incluem testes em estufa para verificar como as árvores editadas geneticamente se comportam em comparação com as árvores selvagens. Teste em campo também são necessários para avaliar se as árvores modificadas são capazes de lidar com diferentes fatores estressantes na natureza.
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Referências:
[1] Sulis DB, Jiang X, Yang C, Marques BM, Matthews ML, Miller Z, Lan K, Cofre-Vega C, Liu B, Sun R, Sederoff H, Bing RG, Sun X, Williams CM, Jameel H, Phillips R, Chang HM, Peszlen I, Huang YY, Li W, Kelly RM, Sederoff RR, Chiang VL, Barrangou R, Wang JP. Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production. Science. 2023 Jul 14;381(6654):216-221. doi: 10.1126/science.add4514
[2] Xiao S, Chen C, Xia Q, Liu Y, Yao Y, Chen Q, Hartsfield M, Brozena A, Tu K, Eichhorn SJ, Yao Y, Li J, Gan W, Shi SQ, Yang VW, Lo Ricco M, Zhu JY, Burgert I, Luo A, Li T, Hu L. Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material. Science. 2021 Oct 22;374(6566):465-471. doi: 10.1126/science.abg9556
[3] Ralph J, MacKay JJ, Hatfield RD, O’Malley DM, Whetten RW, Sederoff RR. Abnormal lignin in a loblolly pine mutant. Science. 1997 Jul 11;277(5323):235-9. doi: 10.1126/science.277.5323.235
[4] Chen F, Dixon RA. Lignin modification improves fermentable sugar yields for biofuel production. Nat Biotechnol. 2007 Jul;25(7):759-61. doi: 10.1038/nbt1316
[5] Li Q, Song J, Peng S, Wang JP, Qu GZ, Sederoff RR, Chiang VL. Plant biotechnology for lignocellulosic biofuel production. Plant Biotechnol J. 2014 Dec;12(9):1174-92. doi: 10.1111/pbi.12273
