În 2021, o echipă de cercetători de la Universitatea din Chicago și Universitatea din Beijing a reușit o premieră științifică aparent bizară: a introdus Cunoscută popular drept «gena obezității», este o genă umană care codifică o proteină cu rol major în reglarea metabolismului, a stocării energiei și a masei corporale la mamifere. asociată cu obezitatea, în culturi de orez și cartofi. Rezultatul a fost o creștere spectaculoasă a randamentului și a Cantitatea totală de materie organică produsă de o plantă (incluzând rădăcini, tulpini, frunze și roade). O biomasă mai mare indică o plantă mai robustă și mai productivă. oferind o nouă perspectivă asupra modului în care genetica ne-ar putea ajuta să combatem criza alimentară și schimbările climatice.
În fiecare an, sute de mii de oameni mor de foame pe tot globul, iar odată cu agravarea efectelor schimbărilor climatice, este aproape sigur că acest număr va crește. Însă, în anul 2021, o echipă de cercetători din mai multe continente a avut o idee nebunească despre cum să atenueze toate aceste probleme.
Au realizat că plantele ar fi cheia. Lumea are nevoie de culturi pentru a-și hrăni populația în continuă creștere; are nevoie de copaci și iarbă pentru a capta și absorbi carbonul, pentru a reduce temperaturile și poluarea, pentru a îmbogăți solul și multe altele.
„Ne bazăm pe plante pentru foarte, foarte multe lucruri. De la lemn, hrană și medicamente, până la flori și ulei.”, a spus Chuan He, profesor de chimie la Universitatea din Chicago, care a condus proiectul împreună cu alții, într-un comunicat de presă de la acea vreme.
Desigur, există o problemă: producem deja toate aceste plante, iar problemele sunt încă destul de evidente. Avem nevoie de o modalitate de a crește cantitatea pe care o putem cultiva. Avem nevoie de plante care nu numai că produc mai multă hrană, dar care sunt și mai rezistente și pot face față încălzirii globale.
A fost nevoie de o idee ciudată, de mult noroc și de câteva descoperiri din cercetările privind obezitatea umană pentru a găsi o modalitate de a face acest lucru să funcționeze.
Cum funcționează „gena grăsimii” și de ce influențează biomasa culturilor
Dacă ați batjocorit vreodată pe cineva care dă vina pe genetica sa pentru că este supraponderal, avem vești proaste.
Există o genă anume numită FTO (care într-adevăr înseamnă „Fatso”, deși se spune că a fost numită astfel datorită dimensiunii genei, mai degrabă decât impactului său), iar aceasta joacă un rol direct în predispoziția oamenilor la creșterea în greutate și obezitate.
Efectul genei nu este deloc neglijabil. Dacă ai o singură copie a genei FTO, ai cu aproximativ 30% mai multe șanse să fii obez decât cineva care nu are nicio copie. Dacă ai două copii, ai cu aproximativ 70% mai multe șanse să ai o greutate mai mare. Miza acestui experiment depășește curiozitatea de laborator: demonstrează că modificarea genetică a plantelor folosind mecanisme specifice mamiferelor poate accelera creșterea vegetală fără a compromite adaptabilitatea la mediu, un pas esențial pentru asigurarea securității alimentare.
Desigur, FTO nu este singura genă implicată în obezitate și metabolism. Oamenii de știință au identificat cel puțin 800, toate interacționând într-un joc complex de forțe opuse în genomul nostru.
Dar se pare că FTO funcționează într-un mod deosebit de ciudat. A fost prima proteină descoperită vreodată care acționează prin eliminarea efectivă a unei anumite molecule de O moleculă esențială care acționează ca un «curier»: copiază instrucțiunile genetice din ADN și le transportă la mașinăria celulară pentru a produce proteinele necesare funcționării organismului. care pare să regleze metabolismul și creșterea celulară.
De asemenea — și acest lucru este important — ea nu este prezentă în plante. Iar pentru cercetătorii din Chicago, Beijing și Guizhou, acest lucru a ridicat o întrebare interesantă: ce s-ar întâmpla dacă ar introduce-o acolo?
„A fost într-adevăr o idee îndrăzneață și bizară”, a recunoscut He pentru revista Smithsonian.
Creșterea plantelor este complicată, cu nenumărate gene și factori de mediu care acționează nu doar independent, ci și în tandem unul cu celălalt. Un singur Constituția genetică exactă a unui organism; setul specific de gene ascunse în ADN-ul său, care îi dictează potențialul biologic. poate produce rezultate extrem de diferite în funcție de locul, momentul și modul în care este cultivată o plantă, iar aceste diferențe se pot adapta în timp real pe măsură ce condițiile se schimbă. Uneori, de exemplu, plantele ar putea sacrifica creșterea în favoarea unei apărări mai puternice împotriva dăunătorilor sau ar putea acorda prioritate stocării resurselor pentru perioadele de penurie.
Pe scurt, nu exista niciun motiv anume să se creadă că o singură genă – și încă una provenită de la mamifere – ar putea îmbunătăți singură randamentul.
„Să fiu sincer, probabil ne așteptam la niște efecte catastrofale”, a spus He. Într-un fel, aveau dreptate.
Efectele introducerii genei umane FTO în cartofi și orez
Prima plantă care a fost supusă acestui transplant genetic experimental a fost orezul. În condiții de laborator, efectul a fost imediat și spectaculos: o creștere de trei ori a randamentului față de culturile de orez nemodificate. În testele de teren – un termen amuzant de literal în acest caz – rezultatele au fost mai modeste, dar totuși semnificative. O creștere de aproximativ 50% atât a randamentului, cât și a biomasei.
Dar asta nu a fost tot. Plantele erau, de asemenea, mai eficiente la Procesul prin care plantele verzi transformă energia solară, dioxidul de carbon și apa în oxigen și substanțe nutritive (zaharuri) necesare propriei creșteri. Rădăcinile lor erau mai lungi. Erau mai rezistente la condiții de secetă. Departe de a distruge plantele, așa cum ne-am fi așteptat de la acest tip de intervenție asupra Ansamblul complet al materialului genetic (ADN) al unui organism; un «manual de instrucțiuni» care conține toate genele necesare pentru dezvoltarea și funcționarea acestuia. adăugarea genei FTO părea să le fi stimulat să crească mult peste tendințele lor naturale – sporind producția, la propriu, de la rădăcină până la vârf.
Cartofii au prezentat aceeași creștere remarcabilă. Deoarece orezul și cartofii sunt plante complet diferite, „[acest lucru] sugera un grad de universalitate extrem de interesant”, a declarat He în comunicatul de presă.
Experimentele ulterioare au confirmat acest lucru. Iarba, copacii, crețonul, salata — de fapt orice tip de plantă în care echipa a implantat gena FTO a reacționat în același mod, crescând mai repede, mai puternic și pur și simplu mai mare decât înainte.
„Acest Totalitatea trăsăturilor fizice și biochimice observabile ale unui organism (ex. dimensiunea, ritmul de creștere, culoarea), rezultate din interacțiunea genotipului său cu factorii de mediu. [trăsătură] este prezent în mod constant în orice plantă pe care o modificăm genetic”, a declarat la acea vreme pentru Smithsonian Guifang Jia, biolog chimist la Universitatea din Beijing, care a condus proiectul împreună cu He.
Marea întrebare, desigur, era de ce.
Și, deși cercetătorii încă nu sunt 100% siguri de modul în care funcționează, aveau o teorie destul de plauzibilă. Deoarece FTO, sau chiar orice proteină analogă, nu se găsește în mod natural în plante, organismele pur și simplu nu au cum să contracareze efectul acesteia.
„[FTO] pătrunde în plantă și nu există nicio restricție privind locurile la care are acces. Este o bombă.”, a explicat He.
Spre deosebire de mamifere, unde gena FTO suprimă anumite semnale ale sațietății și accelerează creșterea în greutate, în regnul vegetal această proteină îndepărtează limitările naturale impuse de moleculele de ARNm, permițând plantei să absoarbă continuu resurse și să dezvolte un sistem radicular mai vast.
Pot cartofii grași să hrănească lumea?
Rezultatele experimentale sunt una, dar cum a influențat această cercetare lumea în cei cinci ani de când a fost publicată?
Inițial, echipa avea câteva obiective principale. În primul rând, doreau să vadă cât de aplicabilă era tehnica la alte plante și dacă putea fi extinsă la scară mai mare.
„Sperăm să colaborăm cu mediul academic și cu industria pentru a înțelege mai bine această biologie și pentru a aplica în siguranță și pe scară largă această nouă tehnologie”, a declarat He în comunicatul de presă de la acea vreme.
Ei bine, am văzut deja cât de bine a ieșit totul, tot felul de plante, de la culturi de bază la iarbă și copaci, înregistrând aceleași rezultate extraordinare.
Această gamă largă de specii de plante este importantă, deoarece insecuritatea alimentară este departe de a fi singura problemă cu care ne vom confrunta în viitor.
„Chiar și dincolo de hrană, există alte consecințe ale schimbărilor climatice. Poate am putea modifica genetic ierburile din zonele amenințate, astfel încât să reziste la secetă. Poate am putea «învăța» un copac din Midwest să-și dezvolte rădăcini mai lungi, astfel încât să fie mai puțin probabil să fie doborât în timpul furtunilor puternice. Există atât de multe aplicații potențiale.”, a subliniat He.
În al doilea rând, echipa a dorit să vadă dacă există o altă modalitate de a obține aceleași rezultate. Ei au vrut să exploreze metode care să nu necesite deloc implantarea de gene umane în plante.
„Se pare că plantele dispun deja de acest mecanism de reglare, iar noi nu am făcut decât să îl valorificăm. Așadar, următorul pas ar fi să descoperim cum să realizăm acest lucru folosind genele existente ale plantei.”, a explicat He.
În această privință, însă, s-ar putea să nu fie posibil. Genomul plantelor este foarte robust, a declarat He, iar găsirea unei gene care a funcționat atât de bine, mai ales atât de repede în cadrul cercetării lor, a fost pur și simplu un noroc uimitor.
Chiar dacă ar fi posibil să realizăm totul în interiorul plantelor, s-ar putea să nu aflăm acest lucru decât peste mulți ani: doar pentru a demonstra conceptul, generații întregi de culturi și plante trebuie să crească și să fie recoltate în condiții de câmp.
Dar chiar și pașii mici făcuți până acum sunt suficienți pentru a ridica moralul, mai ales dacă urmezi o dietă bazată pe cartofi, orez, salată verde și crețon.
„Nu exista niciun motiv să ne așteptăm ca [acest lucru] să aibă succes”, a declarat Donald Ort, biolog vegetal la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign, care nu a participat la studiu – o încercare la întâmplare care, cumva, a reușit să nimerească o țintă despre care nimeni nu știa măcar că există. „Presupun”, a spus Ort, „că au fost destul de surprinși” când a funcționat.
Chiar dacă implementarea comercială a culturilor ce conțin gena FTO va necesita decenii de teste riguroase de siguranță alimentară, descoperirea demonstrează că soluțiile pentru viitorul agriculturii ar putea veni din intersecțiile neașteptate dintre biologia umană și cea vegetală.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Medicamentele obișnuite pot lăsa urme în microbiomul intestinal ani după oprirea tratamentului
Dacă oamenii ar merge la Polul Sud lunar, microbii lăsați acolo ar putea rezista mai bine decât ne-am aștepta
Pupilele se dilată la surpriză, iar creierul pare să treacă într-un mod de „reîmprospătare”
Bacteriile care dau gust brânzeturilor artizanale ar putea fi utile și intestinului
