Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e colaboradores do Laboratório Cold Spring Harbor (CSHL) projetaram a lentilha-d'água para produzir altos rendimentos de óleo. A equipe adicionou genes a uma das plantas aquáticas de crescimento mais rápido da natureza para "empurrar" a síntese de ácidos graxos, "puxar" esses ácidos graxos para óleos e "proteger" o óleo da degradação. Como os cientistas explicam em um artigo publicado no Plant Biotechnology Journal , essa lentilha-d'água rica em óleo pode ser facilmente colhida para produzir biocombustíveis ou outros bioprodutos.

O artigo descreve como os cientistas projetaram uma variedade de lentilha, Lemna japonica, para acumular óleo em cerca de 10% de sua biomassa seca. Isso é um aumento dramático de 100 vezes em relação a essas plantas que crescem na natureza – com rendimentos mais de sete vezes maiores do que a soja, a maior fonte de biodiesel atual.

"A lentilha cresce rápido", disse o bioquímico do Brookhaven Lab, John Shanklin, que liderou a equipe. "Ele tem apenas caules e raízes minúsculos - então a maior parte de sua biomassa está em folhas semelhantes a folhas que crescem na superfície de lagoas em todo o mundo. Nossa engenharia cria alto teor de óleo em toda essa biomassa.

“Cultivar e colher esta lentilha engenheirada em lotes e extrair seu óleo pode ser um caminho eficiente para a produção de óleo renovável e sustentável”, disse ele.

Dois benefícios adicionais: como uma planta aquática , a lentilha produtora de óleo não competiria com as culturas alimentares por terras agrícolas de primeira. Pode até crescer no escoamento de fazendas de suínos e aves.

"Isso significa que esta planta projetada poderia potencialmente limpar fluxos de resíduos agrícolas à medida que produz petróleo", disse Shanklin.

O projeto atual tem raízes na pesquisa do Brookhaven Lab sobre lentilhas da década de 1970, liderada por William S. Hillman no Departamento de Biologia. Mais tarde, outros membros do Departamento de Biologia trabalharam com o grupo Martienssen em Cold Spring Harbor para desenvolver um método altamente eficiente para expressar genes de outras espécies em lentilhas, juntamente com abordagens para suprimir a expressão dos próprios genes das lentilhas, conforme desejado.

Como os pesquisadores de Brookhaven liderados por Shanklin e Jorg Schwender nas últimas duas décadas identificaram os principais fatores bioquímicos que impulsionam a produção e o acúmulo de óleo nas plantas, um objetivo era alavancar esse conhecimento e as ferramentas genéticas para tentar modificar a produção de óleo vegetal. A pesquisa mais recente, relatada aqui, testou essa abordagem pela engenharia da lentilha-d'água com os genes que controlam esses fatores de produção de óleo para estudar seus efeitos combinados.

"O projeto atual reúne a experiência do Brookhaven Lab na bioquímica e regulação da biossíntese de óleos vegetais com as capacidades de genômica e genética de ponta da Cold Spring Harbor", disse Shanklin.

Um dos genes de produção de petróleo identificados pelos pesquisadores de Brookhaven impulsiona a produção dos blocos de construção básicos do petróleo, conhecidos como ácidos graxos . Outro puxa, ou monta, esses ácidos graxos em moléculas chamadas triacilgliceróis (TAG) – combinações de três ácidos graxos que se ligam para formar os hidrocarbonetos que chamamos de óleos. O terceiro gene produz uma proteína que reveste gotículas de óleo nos tecidos vegetais, protegendo-as da degradação.

A partir de trabalhos preliminares, os cientistas descobriram que o aumento dos níveis de ácidos graxos desencadeados pelo gene "push" pode ter efeitos prejudiciais no crescimento das plantas. Para evitar esses efeitos, o pesquisador de pós-doutorado do Brookhaven Lab, Yuanxue Liang, emparelhou esse gene com um promotor que pode ser ativado pela adição de uma pequena quantidade de um indutor químico específico.

“Adicionar este promotor mantém o gene push desligado até adicionarmos o indutor, o que permite que as plantas cresçam normalmente antes de ativarmos a produção de ácidos graxos/óleos”, disse Shanklin.

Liang então criou uma série de combinações de genes para expressar os fatores aprimorados de empurrar, puxar e proteger individualmente, em pares e todos juntos. No artigo, eles são abreviados como W, D e O para seus nomes bioquímicos/genéticos, onde W = empurrar, D = puxar e O = proteger.

A superexpressão de cada modificação genética sozinha não aumentou significativamente os níveis de ácidos graxos nas folhas de Lemna japonica. Mas as plantas projetadas com todas as três modificações acumularam até 16% de seu peso seco como ácidos graxos e 8,7% como óleo quando os resultados foram calculados em várias linhas transgênicas diferentes. As melhores plantas acumularam até 10% de TAG - mais de 100 vezes o nível de óleo que se acumula em plantas do tipo selvagem não modificadas.

Algumas combinações de duas modificações (WD e DO) aumentaram drasticamente o teor de ácidos graxos e o acúmulo de TAG em relação aos seus efeitos individuais. Esses resultados são chamados de sinérgicos, onde o efeito combinado de dois genes aumentou a produção mais do que a soma das duas modificações separadas.

Esses resultados também foram revelados em imagens de gotículas de lipídios nas folhas das plantas, produzidas usando um microscópio confocal no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), uma instalação do usuário do Escritório de Ciência do DOE no Brookhaven Lab. Quando as folhas de lentilha foram coradas com um produto químico que se liga ao óleo, as imagens mostraram que as plantas com cada combinação de dois genes (OD, OW, WD) aumentaram o acúmulo de gotículas lipídicas em relação às plantas onde esses genes foram expressos isoladamente – e também quando comparado com plantas controle sem modificação genética. As plantas das linhas OD e OWD tinham grandes gotas de óleo, mas a linha OWD tinha mais gotas, produzindo os sinais mais fortes.

"O trabalho futuro se concentrará em testar fatores de empurrar, puxar e proteger de uma variedade de fontes diferentes, otimizando os níveis de expressão dos três genes indutores de óleo e refinando o tempo de sua expressão", disse Shanklin. "Além disso, estamos trabalhando em como aumentar a produção de laboratório para níveis industriais."

Esse trabalho de ampliação tem vários objetivos principais: 1) projetar os tipos de vasos de cultura em grande escala para cultivar as plantas modificadas, 2) otimizar as condições de crescimento em grande escala e 3) desenvolver métodos para extrair óleo com eficiência em altos níveis.