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Genoma-Cana

Resultados antecipados

Os pesquisadores identificaram milhares de genes importantes

O Projeto Genoma Cana, lançado em abril deste ano pela FAPESP, está apresentando resultados surpreendentes. Como se pretendia, mas num ritmo mais intenso do que o imaginado, a pesquisa levou até o momento à identificação de 5.244 genes da cana-de-açúcar relacionados ao metabolismo dos açúcares e à resistência a doenças, que poderão resultar, com o tempo, em variedades mais produtivas e rentáveis. Trata-se de um avanço sem precedentes na pesquisa da cana, na avaliação do biólogo Paulo Arruda, coordenador de DNA do projeto e diretor do Centro de Biologia Molecular e Engenharia Genética (CBMEG) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

Com um orçamento de US$ 8 milhões da FAPESP e US$ 400 mil da Cooperativa dos Produtores de Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo (Coopersucar), o Genoma Cana representa o esforço conjunto de 28 grupos de pesquisa, distribuídos nas três universidades públicas estaduais, USP, Unicamp e Unesp, três particulares, em Ribeirão Preto, Mogi das Cruzes e São José dos Campos, o Instituto Agronômico de Campinas e o Centro de Tecnologia da Coopersucar (CTC). Participam também dois consultores internacionais, especialistas em genoma de plantas.

No total, cerca de 150 pesquisadores estudam a constituição genética da cana, uma das principais culturas agrícolas do Estado de São Paulo. Regular-mente, encontram-se para atualizar as descobertas e as técnicas de trabalho – a próxima reunião geral será nos dias 22 e 23 de novembro, na FAPESP. “Não conheço nenhum outro país com tantos pesquisadores estudando o genoma da uma única planta”, observa William Burnquist, gerente de fitotecnia do CTC e responsável pelo intercâmbio internacional. “Passamos, de um pulo só, a Austrália e os Estados Unidos, que têm tradição nessa área”, diz. Até o projeto ser constituído, lembra ele, havia no máximo uma dezena de investigadores da genética da cana.

Seqüências inéditas
Do total de genes identificados, 37% (ou 2.024) são absolutamente novos, sem semelhantes em nenhum outro organismo. A princípio, pode residir nesses genes inéditos parte essencial da identidade da cana, que a diferencia dos outros seres. Essas novas estruturas, lembra Arruda, podem estar associadas à produção de proteínas importantes, embora ainda não se saiba o que, especificamente, elas fazem. Comparando, seria como se um arqueólogo descobrisse uma cerâmica antiqüíssima e verificasse que se trata de um objeto de uso humano, sem saber para que era usada.

Os outros genes, que têm similares ou homólogos aos seqüenciados em outras espécies, também têm valor. Exatamente por já serem conhecidos, é muito mais fácil saber quais realmente são importantes – e, a partir daí, serem utilizados rapidamente para pesquisas acadêmicas ou aplicadas. O pesquisador Antonio Figueira, do Centro de Energia Nuclear na Agricultura(CENA) da USP, por exemplo, identificou dezenas de genes envolvidos na absorção e no transporte de nutrientes, que servirão de base para o desenvolvimento de variedades de plantas mais eficientes na absorção iônica. É uma forma de reduzir o uso de fertilizantes químicos e, conseqüentemente, o impacto ambiental da agricultura.

Seria também um caminho para permitir que as plantas possam se desenvolver em solos pobres em nutrientes ou com concentrações elevadas de íons tóxicos.No centro de pesquisas da Coopersucar, o pesquisador Eugênio Ulian não esconde o entusiasmo com a descoberta dos genes envolvidos no metabolismo de carboidratos (açúcares). Já são conhecidos 25% (ou 57, em número absoluto) dos genes já identificados em outras plantas, que viabilizam a fixação de dióxido de carbono, a síntese de amido e sacarose e o metabolismo de frutose e manose – processos vitais para a planta, que a tornam mais ou menos interessante do ponto de vista econômico. A base de dados do Genoma Cana ganha volume também com o trabalho dos pesquisadores Luís Camargo, do Departamento de Entomologia da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, e Marie-Anne Van Sluis, do Departamento de Botânica do Instituto de Biociências, ambos da USP.

Também contando as descobertas em mais de uma mão, Camargo e Marie-Anne encontraram dezenas de genes da cana homólogos (semelhantes) a outros, de outras espécies, que conferem resistência a bactérias, fungos e vermes nematóides. Por analogia com o material e os mecanismos genéticos de outras plantas, esses genes podem ser empregados como marcadores moleculares para o desenvolvimento de variedades de cana resistentes a pragas. O grupo da botânica da USP estuda também os retrotransposons, seqüências de DNA capazes de saltar de um local para outro no genoma e, em conseqüência, modificar a expressão gênica. Marie-Anne está admirada com a quantidade de retrotransposons expressos na cana, cujo estudo permitirá ao grupo entender melhor a Natureza da variabilidade genética da cana.

A prioridade é a identificação dos genes ativos ou expressos, diretamente associados ao metabolismo da planta. São poucos. O genoma da cana pode ser tão vasto quanto o humano – recentemente redimensionado para 100 mil a 140 mil, pelo menos 20 mil a mais do que se imaginava – e os genes que interessam não passam de 5% do genoma de um organismo. Além do porte, o genoma da cana tem outra peculiaridade. Cada um de dez cromossomos (as imensas moléculas de DNA enoveladas, de tamanhos variados, que contêm os genes) repete-se oito vezes no núcleo das células. Pode tratar-se de um resultado da combinação de espécies, já que as variedades de cana utilizadas atualmente resultam do cruzamento de duas espécies,Saccharum officiarum e Saccharum robustum. Poucas espécies são assim. Na maioria dos animais e dos vegetais, há apenas um par de cada cromossomo.

Busca e checagem
Por essa razão, lembra o pesquisador da Unicamp, a quantidade e a variedade de genes a serem analisadas é essencial, porque cada tipo de célula vai expressar genes específicos. Numa célula da folha verde da cana, por exemplo, mais da metade dos genes expressos corresponde a não mais de dez proteínas envolvidas na fotossíntese. “Cada tipo celular produz em média 30 mil tipos diferentes de proteínas”, diz Arruda. Entretanto, boa parte dos 30 mil compostos químicos produzidos pela raiz são diferentes dos 30 mil elaborados pelas folhas, por sua vez distintos dos 30 mil das flores e assim por diante. “Queremos localizar tudo o que é importante na cana-de-açúcar”, comenta. O plano é identificar 10 mil genes ativos nos diversos tecidos da planta até o final do ano e 50 mil até o final do trabalho, em 2003.

Para chegar aos resultados pretendidos, o processo é longo. Arruda conta que o projeto segue em parte o modelo estabelecido para o projeto genoma da bactéria Xylella fastidiosa , que integra o Programa Genoma-FAPESP, mas algumas inovações procuraram tornar a estrutura mais ágil na análise das seqüências e no intercâmbio de informações e resultados entre os laboratórios. Para identificar os genes da cana, os pesquisadores se valem da técnica EST (Expressed Sequence Tags ou etiquetas de seqüências expressas), desenvolvida para estudar o genoma humano e utilizada atualmente para conhecer o genoma de dezenas de organismos, com destaque às plantas economicamente mais importantes, como arroz, milho, trigo e soja. A EST acelera as descobertas, por identificar apenas os trechos dos genes expressos, que codificam proteínas, fazendo uma filtragem razoável do que realmente interessa aos pesquisadores.

Inicialmente, no estudo do genoma da cana, os estudantes do CBMEG Edson Kemper, André Vettore e Felipe da Silva sintetizam moléculas de cDNA (DNA complementar) a partir de RNA mensageiro (RNAm) extraídos de diferentes tecidos da cana. As moléculas de cDNA são ligadas em vetores chamados plasmídeos, que são DNA circulares e não alongados, como os habituais. Em seguida, as moléculas de cDNA são clonadas em milhares de bactérias. Cada bactéria, que recebe o nome de clone, possui uma única molécula de cDNA correspondente a uma proteína codificada por um gene da cana.

Os clones são em seguida ordenados em placas, replicados e armazenados a uma temperatura de 70o C negativos. Nesse momento, estão prontos para serem distribuídos entre os 23 laboratórios que fazem o seqüenciamento do genoma da cana. Nesses centros, por meio de seqüenciadores automáticos de DNA, os pesquisadores determinam a seqüência de parte da molécula de cDNA, sempre composta de quatro moléculas, os chamados nucleotídeos (adenina, timina, citosina e guanina) que se repetem num formato único de cada gene. Como cada três nucleotídeos na seqüência do cDNA correspondem a um aminoácido na proteína, sabendo a ordem de nucleotídeos é possível determinar a seqüência das proteínas que cada gene vai formar.

O fluxo da informação
Os laboratórios de seqüenciamento determinam as seqüências dos clones de cDNA e as enviam para o Laboratório de Bioinformática (LBI) da Unicamp, que realiza o controle de qualidade das seqüências e uma série de análises. A mais importante é a busca de homologia com as seqüências depositadas no banco de dados internacional GenBank, que contém milhões de seqüências determinadas dos mais diversos organismos, rastreado por meio de programas de computador como o Fasta, o mais conhecido conjunto de dispositivos de busca de homologia entre seqüências de proteínas e de DNA.

Os dados processados são armazenados na base de dados do projeto e, a partir daí, podem ser consultados pelos 12 laboratórios de data mining (ou prospecção de dados), que analisam as informações colhidas.O avanço contínuo do projeto pode ser acompanhado na página da FAPESP na Internet, que acumula as informações das seqüências e os relatórios dos grupos dedata mining , produzidos ao longo do trabalho. O desempenho de cada laboratório participante pode ser verificado diariamente. Até agora, o índice geral de sucesso, que reflete o número de seqüências aproveitáveis em relação ao número total de clones processados,é de 83%.

A habilidade em encontrar genes em meio aos ESTs chega às vezes a 90,6%, como aconteceu com a equipe do pesquisador Walter Siqueira, do Instituto Agronômico de Campinas, ou de 90,3%, da equipe de Maria Inês Ferro, da Faculdade de Ciências Agrá-rias e Veterinárias da Unesp, em Jaboticabal. “Esse resultado é resultado igual ou até melhor do que o obtido por alguns grandes centros de seqüenciamento de DNA da Europa e dos Estados Unidos”, observa Arruda.

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