Qualquer dono de planta de casa sabe quemudanças na quantidade de águaou luz solar que uma planta recebe podem coloca¡-la sob enorme estresse. Uma planta morrendo traz certa decepção para qualquer pessoa com um polegar verde. 

Mas para os fazendeiros que ganham a vida cultivando plantas com sucesso e cujas plantações podem alimentar centenas ou milhares de pessoas, a devastação da flora decadente émuito maior. Como a mudança climática estãoprestes a causar padraµes clima¡ticos cada vez mais imprevisa­veis em todo o mundo, as safras podem estar sujeitas a condições ambientais mais extremas, como secas, variações de temperatura, inundações e incaªndios florestais. 

Cientistas do clima e pesquisadores de sistemas alimentares se preocupam com o estresse que a mudança climática pode causar nas safras e na segurança alimentar global. Em um ambicioso projeto interdisciplinar financiado pelo Laborata³rio de Sistemas Alimentares e agua Abdul Latif Jameel (J-WAFS), David Des Marais, professor assistente da Gale no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, e Caroline Uhler, professora associada no O Departamento de Engenharia Elanãtrica e Ciência da Computação do MIT e o Instituto de Dados, Sistemas e Sociedade estãoinvestigando como os genes das plantas se comunicam entre si sob estresse. Os resultados de suas pesquisas podem ser usados ​​para criar plantas mais resistentes a smudanças climáticas.

As respostas das plantas ao estresse ambiental são redes reguladoras de genes, ou GRNs, que orientam o desenvolvimento e o comportamento dos seres vivos. Um GRN pode ser composto por milhares de genes e protea­nas que se comunicam entre si. Os GRNs ajudam uma canãlula, tecido ou organismo especa­fico a responder a smudanças ambientais, sinalizando a certos genes para ativar ou desativar sua expressão.

Mesmomudanças aparentemente menores ou de curto prazo nos padraµes clima¡ticos podem ter grandes efeitos sobre a produtividade das safras e a segurança alimentar. Um gatilho ambiental, como a falta de águadurante uma fase crucial do desenvolvimento da planta, pode ativar ou desativar um gene e provavelmente afetara¡ muitos outros no GRN. Por exemplo, sem a¡gua, um gene que permite a fotossa­ntese pode se desligar. Isso pode criar um efeito domina³, em que os genes que dependem daqueles que regulam a fotossa­ntese são silenciados e o ciclo continua. Como resultado, quando a fotossa­ntese éinterrompida, a planta pode experimentar outros efeitos colaterais prejudiciais, como não ser mais capaz de se reproduzir ou se defender contra patógenos. A reação em cadeia pode atématar uma planta antes que ela tenha a chance de ser revivida por uma grande chuva.

Des Marais diz que gostaria que houvesse uma maneira de impedir que esses genes se desligassem completamente em tal situação. Para fazer isso, os cientistas precisariam entender melhor como exatamente as redes de genes respondem a diferentes gatilhos ambientais. Trazer luz a este processo molecular éexatamente o que ele pretende fazer neste esfora§o de pesquisa colaborativa.

Apesar de sua importa¢ncia crucial, os GRNs são difa­ceis de estudar devido a  sua complexidade e interconexa£o. Normalmente, para entender como um determinado gene estãoafetando outros, os bia³logos devem silenciar um gene e ver como os outros na rede respondem. 

Durante anos, os cientistas aspiraram a um algoritmo que pudesse sintetizar a enorme quantidade de informações contidas nos GRNs para “identificar as relações regulata³rias corretas entre os genes”, de acordo com um artigo de 2019 na Encyclopedia of Bioinformatics and Computational Biology . 

“Um GRN pode ser visto como uma grande rede causal, e entender os efeitos que silenciar um gene tem sobre todos os outros genes requer a compreensão das relações causais entre os genes”, diz Uhler. “Esses são exatamente os tipos de algoritmos que meu grupo desenvolve.”

O projeto de Des Marais e Uhler visa desvendar essas redes de comunicação complexas e descobrir como produzir safras que sejam mais resistentes ao aumento de secas, inundações e padraµes clima¡ticos erra¡ticos que asmudanças climáticas já estãocausando em todo o mundo.

Além dasmudanças climáticas, até2050, o mundo exigira¡ 70% mais alimentos para alimentar uma população em expansão. “Os desafios dos sistemas alimentares não podem ser enfrentados individualmente em silos disciplinares ou tema¡ticos”, disse Greg Sixt, gerente de pesquisa do J-WAFS para clima e sistemas alimentares. “Eles devem ser tratados em um contexto de sistemas que reflita a natureza interconectada do sistema alimentar.”

A formação de Des Marais éem biologia e a de Uhler em estata­stica. “O projeto de Dave com Caroline era essencialmente experimental”, diz Renee J. Robins, diretora executiva da J-WAFS. “Este tipo de pesquisa explorata³ria éexatamente para o que serve o programa de concessão inicial J-WAFS.”

O trabalho de Des Marais e Uhler comea§a em um pora£o sem janelas no campus do MIT, onde 300 plantas Brachypodium distachyon geneticamente idaªnticas crescem em grandes ca¢maras com temperatura controlada. A planta, que contanãm mais de 30.000 genes, éum bom modelo para estudar importantes safras de cereais como trigo, cevada, milho e paina§o. Durante três semanas, todas as plantas recebem a mesma temperatura, umidade, luz e a¡gua. Em seguida, metade élentamente retirada da a¡gua, simulando condições semelhantes a s de seca.

Seis dias após o ini­cio da seca forçada, as plantas estãoclaramente sofrendo. O estudante de doutorado de Des Marais, Jie Yun, pega tecidos de 50 plantas hidratadas e 50 plantas secas, congela-os em nitrogaªnio la­quido para interromper imediatamente a atividade metaba³lica, transforma-os em um pa³ fino e separa quimicamente o material genanãtico. Os genes de todas as 100 amostras são sequenciados em um laboratório do outro lado da rua.

A equipe fica com uma planilha listando os 30.000 genes encontrados em cada uma das 100 plantas no momento em que foram congeladas e quantas ca³pias existiam. A estudante de PhD de Uhler, Anastasiya Belyaeva, insere a enorme planilha no programa de computador que ela desenvolveu e executa seu novo algoritmo. Em poucas horas, o grupo pode ver quais genes eram mais ativos em uma condição em relação a outra, como os genes se comunicavam e quais estavam causandomudanças em outras. 

A metodologia captura sutilezas importantes que podem permitir aos pesquisadores eventualmente alterar as vias dos genes e criar safras mais resistentes. “Quando vocêexpaµe uma planta ao estresse da seca, não écomo se houvesse alguma resposta cana´nica”, diz Des Marais. “Ha¡ muitas coisas acontecendo. Esta¡ aumentando este processo fisiola³gico, este diminuiu, este não existia antes, e agora de repente estãoligado. ” 

Além da pesquisa de Des Marais e Uhler, J-WAFS financiou projetos em alimentos e águade pesquisadores em 29 departamentos em todas as cinco escolas do MIT, bem como no MIT Schwarzman College of Computing. Os subsa­dios iniciais do J-WAFS normalmente financiam de sete a oito novos projetos a cada ano.

“As bolsas tem o objetivo de catalisar novas ideias, fornecendo o tipo de apoio [para os pesquisadores do MIT] para ultrapassar os limites e também trazendo professores que podem ter algumas ideias interessantes que ainda não aplicaram a questões de águaou alimentos, ”Robins diz. “a‰ uma avenida para pesquisadores de todo o Instituto aplicarem suas ideias em águae alimentos.”