E se você tivesse nas suas mãos uma ferramenta capaz de mudar o mundo, com aplicações desde a cura de doenças que antes eram incuráveis até a produção de colheitas resistentes às mudanças climáticas? Essa ferramenta surgiu em 2011 quando Emmanuelle Charpentier, pesquisadora do sistema CRISPR-Cas9 da bactéria Streptococcus pyogenes fez uma parceria com a bióloga estrutural Jennifer Doudna.
As duas conseguiram unir suas especialidades e elucidar por completo o sistema CRISPR-Cas9 e adaptá-lo para realizar edições gênicas que foi publicado no artigo “Uma endonuclease de DNA guiada por RNA duplo programável na imunidade bacteriana adaptativa” em tradução livre. Essa descoberta foi tão revolucionária , que em pouco tempo as duas cientistas foram premiadas com o prêmio Nobel de Química, em 2020.
O que é CRISPR?
CRISPR é a abreviatura da expressão “repetições palindrômicas curtas agrupadas e regularmente interespaçadas” (em inglês para “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”), ou seja, repetições de DNA palíndromas que estavam presentes no genoma das bactérias de maneira espaçada. Essas sequências palindrômicas fazem parte de um mecanismo de defesa contra bacteriófagos - os vírus de bactérias.
Como um “sistema imune” rudimentar, as bactérias inserem em seu próprio genoma (no locus CRISPR) sequências de DNA dos vírus com os quais já foram infectadas. Caso haja uma segunda infecção pelo mesmo bacteriófago, a enzima Cas irá promover clivagens no material genético viral mediada pelo RNA complementar produzido pela bactéria.
A aplicação do sistema CRISPR
O sistema CRISPR presente nas bactérias por si só é fascinante, porém mais ainda é a aplicação desse sistema para edições gênicas. Emmanuelle, Jennifer e outros pesquisadores perceberam que poderiam usar o CRISPR como método para realizar modificações em um genoma, podendo remover partes de um genoma ou até inserir novos genes no cromossomo.
Para realizar tais feitos basta que se conheça a sequência exata de DNA presente no gene de interesse. A partir dessa sequência é produzido um RNA guia (CRISPR) que irá se ligar ao gene que se deseja editar. A sequência de DNA pode ser inserida na célula alvo através de um vírus benigno.
Após a ligação do RNA guia ao gene de interesse, é sinalizado à enzima Cas onde ela precisa realizar os cortes na molécula de DNA. Por causa da hibridização com o RNA guia, esses cortes são bastante precisos. Pode-se portanto promover alterações no genoma de maneira fácil e rápida.
Das bactérias para as plantações: edição do genoma de plantas
Há 10 mil anos a humanidade vem realizando melhoramento de plantas por meio da seleção artificial e, mais recentemente, na década de 1970, com a produção de organismos geneticamente modificados através das técnicas como ZFNs (Nucleases de dedo de zinco) e TALENs (nucleases efetoras semelhantes a ativadores de transcrição). Já na década de 1990 os primeiros transgênicos foram introduzidos na agricultura.
No entanto, a técnica de CRISPR/Cas é uma ferramenta capaz de acelerar esse processo, realizando em menos tempo, com menor custo e maior precisão edições gênicas que produzem colheitas mais fartas, com maior qualidade, com resistência a fatores bióticos e abióticos além de eliminar características que são indesejáveis.
A maioria das edições realizadas por CRISPR não produzem transgênicos, por esse motivo, alguns países como os Estados Unidos e o Canadá aprovam as plantas com edição de genoma sem encargos regulatórios específicos.
A Animal and Plant Health Inspection Service (APHIS) do departamento de de agricultura dos Estados Unidos definiu uma regra em 2019 que diz que vegetais com edições (i) deleção de qualquer tipo, (ii) substituições direcionadas de um único par de base e (iii) introduções ou edições que resultem em sequências que são conhecidas como pertencentes ao pool gênico natural da espécie estão isentos das condições descritas legislação antiga para produtos biotecnológicos (§7 CFR parte 340). Essa regra foi implementada em outubro de 2021.
Aumento da produtividade da lavoura
A produtividade de uma planta pode ser medida pelo número de frutos e grãos, e pelo seu tamanho e peso. O conhecimento de quais genes estão envolvidos no controle dessas características dá a oportunidade de modificá-los a nosso favor. Por exemplo, um estudo utilizou a técnica de CRISPR para inativar 3 genes responsáveis por regular negativamente o peso dos grãos de arroz, permitindo um aumento de 30% na produtividade a. Outros estudos semelhantes também promoveram um aumento da produtividade de plantas de milho, trigo, couve e tomate.
Melhoria da qualidade da planta
A qualidade da colheita envolve características dos frutos como cor, aroma, quantidade de nutrientes e tempo de prateleira. O tomate é conhecido por possuir licopeno, uma substância conhecida por ser antioxidante e ajuda a proteger as células de efeitos nocivos de radicais livres. No entanto, certas quantidades de licopeno são convertidas em 𝜶 e 𝜷 caroteno. Com o uso da CRISPR/Cas foi possível inibir essa via de conversão e promover o acúmulo de licopeno no tomate.
Eliminação de características indesejáveis
Alguns alimentos possuem substâncias que causam intolerância e causam doenças, como é o caso do glúten presente no trigo. O glúten é produzido por uma família de mais de 100 genes e pseudogenes. Por esse motivo é quase impossível inibí-la por métodos convencionais de mutagênese e seleção. Já a CRISPR/Cas possibilitou que fosse produzida uma variedade de trigo com baixo teor de glúten, o que reduziu em 85% sua imunorreatividade.
Resistência a fatores bióticos e abióticos
Produzir plantas que sejam resistentes a infecções por parasitas e a condições ambientais desfavoráveis pode ser um dos maiores interesses da utilização de CRISPR na agricultura. Além de aumentar a produtividade, a resistência aos parasitas pode reduzir a necessidade do uso de agrotóxicos. E diante de um cenário de mudanças climáticas, é de suma importância produzir plantas que cresçam bem em ambientes com seca ou alta concentração de metais, por exemplo.
CRISPR no tratamento de saúde humana
A síndrome da imunodeficiência adquirida (AIDS) e o transplante de órgãos, são dois dos inúmeros exemplos de como podemos usar a CRISPR para cuidar da saúde humana.
Em 2019, foi divulgado um estudo que conseguiu, através da técnica CRISPR, eliminar o vírus do HIV-1 de camundongos humanizados e tornar as células imunes a novas infecções. O vírus não foi detectado no sangue, tecido linfóide, medula óssea e cérebro dos camundongos e além disso, não foram relatados efeitos colaterais. A FDA autorizou o início dos testes clínicos para esse tratamento em setembro deste ano.
O tratamento de leucemia linfoblástica aguda com células CAR-T foi aprovado pela FDA em agosto de 2017. Esse tratamento envolve a edição genética das células do sistema imune do próprio paciente, através da técnica de CRISPR, para que reconheçam as células cancerígenas do sangue e as combatam. O tratamento foi liberado para pacientes de até 25 anos e está patenteado pela empresa Novartis.
Fica claro que a CRISPR é uma técnica que possui inúmeras aplicações e potencial para desenvolvimento de novos produtos para a agricultura, tratamentos de saúde humana e animal e agricultura. Além disso, a possibilidade de produção de plantas não transgênicas pode aumentar a aceitação de plantações biotecnológicas pela população que possui resistência aos transgênicos.
Referências Bibliográficas
CAMPO, K. T. Q&A: CRISPR Explained. New York Institute of Technology, 2020. Disponível em:<https://www.nyit.edu/box/features/qa_crispr_explained>. Acesso em: 15 nov 21.
CropLife BRASIL. CRISPR: A surpreendente técnica de edição genética. Disponível em:<https://croplifebrasil.org/conceitos/crispr-a-surpreendente-tecnica-de-edicao-genetica/>. Acesso em: 16 nov 21.
FELISBINO, M. B. As mulheres que descobriram como fazer edição de genes. Ciência pelos olhos delas, 2016. Disponível em:<https://www.blogs.unicamp.br/cienciapelosolhosdelas/2016/06/06/as-mulheres-que-descobriram-como-editar-o-gene/>. Acesso em: 15 nov 21.
DANTAS, C. EUA autorizam primeira terapia genética para tratamento de câncer. G1. Disponível em:<https://g1.globo.com/bemestar/noticia/eua-autoriza-primeira-terapia-genetica-para-tratamento-de-cancer.ghtml>. Acesso em: 07 dez 2021.
JIANG, F. DOUDNA, J. The structural biology of CRISPR-Cas systems. Current Opinion in Structural Biology. v. 30, pp. 100-111, 2015. Disponível em:<https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959440X15000111?via%3Dihub>. Acesso em: 10 dez 2021.
LABORATÓRIO OSWALDO CRUZ. Vírus do HIV é removido de células por meio de edição gênica. Disponível em: <https://www.oswaldocruz.com/site/noticias-de-saude/hiv-e-removido-de-celulas-por-meio-de-edicao-genetica>. Acesso em: 18 nov 21.
LI, X.; WANG, Y.; CHEN, S.; TIAN, H.; FU, D.; ZHU, B.; LUO, Y.; ZHU, H. Lycopene is enriched in tomato fruit by CRISPR/Cas9-mediated multiplex genome editing. Frontiers in Plant Science, v. 9, p. 1-12, 2018a. DOI: 10.3389/fpls.2018.00559. Disponível em:<https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29755497/>. Acesso em: 18 nov21.
MOLINARI, H. B. C.; VIEIRA, L. R.; SILVA, N. V. e; PRADO, G. S. LOPES FILHO, J. H. Tecnologia CRISPR na edição genômica de plantas: biotecnologia aplicada à agricultura. 1ª edição. Brasília: 2015. Disponível em:<https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1126157/tecnologia-crispr-na-edicao-genomica-de-plantas-biotecnologia-aplicada-a-agricultura>. Acesso em: 16 nov 21.
PAK, E. CRISPR: A game-changing genetic engineering technique. Harvard University, 2014. Disponível em:<https://sitn.hms.harvard.edu/flash/2014/crispr-a-game-changing-genetic-engineering-technique >. Acesso em: 15 nov 21.
PINHEIRO, L. Brasileiros editam genes de porcos, buscam verba e planejam testes para usar rim suíno em humanos; entenda. g1, 2021. Disponível em:<https://g1.globo.com/ciencia/noticia/2021/10/21/brasileiros-editam-genes-de-porcos-buscam-verba-e-planejam-testes-para-usar-rim-suino-em-humanos-entenda.ghtml>. Acesso em: 18 nov 21.
REYNOLDS, M. What is CRISPR? The revolutionary gene-editing tech explained. Wired, 2019. Disponível em: <https://www.wired.co.uk/article/what-is-crispr-cas9-gene-editing>. Acesso em: 15 nov 21.
SÁNCHEZ-LEÓN, S.; GIL-HUMANES, J.; OZUNA, C. V.; GIMÉNEZ, M. J.; SOUSA, C.; VOYTAS, D. F.; BARRO, F. Low-gluten, nontransgenic wheat engineered with CRISPR/Cas9. Plant Biotechnology Journal, v. 16, n. 4, p. 902–910, 2018. DOI: 10.1111/pbi.12837. Disponível em: <https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28921815/>. Acesso em: 18 nov 21.
XU, R.; YANG, Y.; QIN, R.; LI, H.; QIU, C.; LI, L.; WEI, P.; YANG, J. Rapid improvement of grain weight via highly efficient CRISPR/Cas9-mediated multiplex genome editing in rice. Journal of Genetics And Genomics, v. 43, n. 8, p. 529–532, 2016. DOI: 10.1016/j.jgg.2016.07.003. Disponível em:<https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27543262/>. Acesso em: 18 nov 21.
