Uma maior compreensão de como as plantas e os micróbios trabalham em conjunto para armazenar grandes quantidades de carbono atmosférico no solo ajudará na concepção de melhores culturas bioenergéticas para a luta contra as alterações climáticas.

Decifrar a mecânica desta relação mutuamente benéfica é um desafio, no entanto, uma vez que as condições na natureza são extremamente difíceis para os cientistas replicarem em laboratório. Para enfrentar este desafio, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) criaram ecossistemas fabricados ou EcoFABs.

Num novo artigo publicado na Science Advances, mostram como estas câmaras de crescimento de plástico, do tamanho de caixas de comida, poderiam fornecer aos cientistas de todo o mundo uma plataforma padronizada e reproduzível para a realização de experiências em plantas modelo e nos micróbios que vivem em torno das suas raízes.

Isto poderia, por sua vez, acelerar a investigação sobre o desenvolvimento de culturas bioenergéticas melhoradas, capazes de crescer em solos pobres em nutrientes e de absorver mais carbono da atmosfera do que é atualmente possível.

“A ideia geral por trás dos EcoFABs é que existe uma necessidade real de uma plataforma na pesquisa do microbioma vegetal que permita aos cientistas compartilhar melhor os dados e desenvolver o trabalho uns dos outros”, disse Vlastimil Novak, autor principal do artigo e cientista do projeto em Berkeley. Divisão de Genômica Ambiental e Biologia de Sistemas (EGSB) do Laboratório.

Para o estudo, Novak e colegas do laboratório de Trent Northen usaram EcoFABs para testar como diferentes formas de nitrogênio afetam a produção de substâncias orgânicas liberadas pelas raízes de Brachypodium, uma pequena espécie de gramínea usada como modelo para gramíneas bioenergéticas.

O nitrogênio é essencial para o crescimento das plantas, e Novak percebeu na literatura que sua relação com a exsudação radicular, ou os tipos de compostos produzidos pelas raízes de uma planta, não havia sido bem explorada nesta espécie de gramínea.

Ele e seus colaboradores conduziram experimentos fornecendo ao Brachypodium diferentes fontes de nitrogênio - amônio, nitrato ou uma combinação - e observaram mudanças na composição do exsudato da raiz. Eles descobriram que níveis variados de nitrogênio afetavam o tipo de compostos produzidos pelas raízes e que as plantas cresciam melhor quando recebiam amônio e nitrato.

Uma descoberta interessante foi a produção de dopamina nos exsudados radiculares apenas quando o amônio e o nitrato estavam presentes juntos. Isto sugere que condições nutricionais específicas influenciam a produção de certos metabolitos, o que poderia, por sua vez, afectar o crescimento das plantas.

“Os resultados desta pesquisa podem informar as práticas de gestão de nutrientes, dizendo fundamentalmente que para Brachypodium ou gramíneas semelhantes, é essencial fornecer amônio e nitrato simultaneamente para um crescimento ideal”, disse Novak. “Também nos dá ideias de alguns compostos orgânicos bastante interessantes no microbioma radicular para investigar no futuro”.

Os EcoFABs poderiam, em última análise, ser combinados com avanços na robótica e no aprendizado de IA para aumentar drasticamente a velocidade de descoberta na pesquisa do microbioma vegetal. Outro desenvolvimento promissor no Berkeley Lab é algo chamado EcoBOT, um sistema robótico automatizado que pode executar experimentos EcoFAB de forma autônoma.

"Poderíamos, em última análise, projetar experimentos em um computador, e então ele faria tudo por você", disse Pete Andeer, um cientista pesquisador da EGSB que trabalhou com Northen para projetar o EcoFAB. “Esse seria o objetivo final: integração destes dispositivos EcoFAB com o sistema EcoBOT.”

Além de fornecer uma infinidade de benefícios para cientistas profissionais, os EcoFABs também estão deixando sua marca na sala de aula, onde são usados por estudantes do ensino médio e de faculdades comunitárias como uma plataforma de aprendizagem na Califórnia.

As atuais atividades de divulgação do EcoFAB do laboratório Northen envolvem colaborações com várias instituições educacionais, incluindo escolas secundárias locais e o Los Medanos College.

Desde 2020, estudantes do ensino médio que participam do Programa de Aprendizagem do Diretor do Berkeley Lab conduziram experimentos usando EcoFABs para estudar o crescimento das plantas sob diferentes condições de nitrogênio. O projeto de pesquisa continua a ser um destaque do programa, com muitos estudantes ganhando interesse em biologia e pesquisas laboratoriais como resultado.

"Os EcoFABs nos permitiram discutir microrganismos na sala de aula de uma forma que conectava outras unidades", disse Christina McGhee-Esquivel, professora de biologia na Skyline High School em Oakland que aprendeu sobre os EcoFABs quando era professora bolsista no Berkeley Lab's K-12 equipe em 2021. "Isso foi extremamente importante para os alunos verem não apenas como as raízes crescem, mas também compreenderem as comunidades microbianas."

Outras colaborações com organizações como a Biotech Partners visam introduzir a educação biotecnológica, incluindo o uso de EcoFABs, em escolas secundárias que atendem minorias em toda a Bay Area. Além disso, estão em andamento discussões para integrar os EcoFABs em mais cursos de graduação no Los Medanos College, onde os alunos terão a oportunidade de projetar e conduzir seus próprios experimentos com plantas novamente no verão de 2024.

"A pesquisa não faz tradicionalmente parte da experiência da faculdade comunitária, mas muitos de nossos alunos STEM querem se transferir e fazer pesquisas ou trabalhar em laboratórios, estágios, esse tipo de coisa", disse Jill Bouchard, professora de biologia em Los Angeles, Colégio Médanos. "Obter-lhes experiência com pesquisa é muito importante para nós. E esta tem sido uma maneira maravilhosa de fazer isso."