Arquitetura do DNA define função de bactéria usada em biotecnologia

A forma como o DNA se organiza em Agrobacterium tumefaciens determina se a bactéria atua como patógeno ou como ferramenta de engenharia genética. É o que mostra um estudo liderado por cientistas da Universidade Estadual de Iowa.

Pesquisadores modificaram geneticamente quatro variantes quase idênticas da bactéria, alterando apenas a estrutura de seus cromossomos. O objetivo era investigar como a arquitetura do genoma afeta crescimento, resistência e capacidade de infectar plantas.

Os resultados demonstram que A. tumefaciens cresce mais rápido e resiste melhor a estresses ambientais quando possui um único cromossomo fundido. Por outro lado, sua capacidade de transferir DNA para plantas -- base da biotecnologia agrícola -- mantém-se mais alta no arranjo natural com dois cromossomos distintos.

Potência em biotecnologia

A. tumefaciens é uma bactéria do solo conhecida por causar galhas do colo, tumores em raízes e caules de culturas como videiras, beterrabas e frutíferas. Desde os anos 1980, sua habilidade de transferir DNA para o genoma vegetal tem sido usada para criar cultivares transgênicas.

A bactéria possui uma configuração genômica rara, com um cromossomo circular principal e um segundo replicon linear, chamado de "chromid". Essa estrutura incomum chamou atenção da equipe liderada por Kan Wang, professora de agronomia e biotecnologia.

O grupo usou a ferramenta CRISPR e o sistema Cre-loxP para gerar versões da bactéria com cromossomos circulares, lineares ou fundidos em uma única unidade.

Crescimento acelerado

Testes em laboratório mostraram que variantes com cromossomo único (fusão de circular e linear) cresceram 20 a 30% mais rápido e resistiram melhor a estresses como radiação UV e peróxido de hidrogênio. Em cultivos competitivos, essas versões superaram as variantes de dois cromossomos. Os dados apontam para uma vantagem adaptativa no ambiente natural, fora da planta hospedeira.

Porém, a capacidade de causar infecção caiu nas versões fundidas. A ativação de genes de virulência, medida por expressão de proteínas fluorescentes e testes de tumor em folhas, foi significativamente menor nos tipos com cromossomo único.

A versão circularizada do cromossomo fundido (FCir) chegou a perder o plasmídeo Ti, responsável pela transferência de DNA, após 100 ciclos de subcultivo. A instabilidade pode estar ligada às dificuldades na separação correta dos cromossomos durante a divisão celular.

Expressão genética

A análise do transcriptoma mostrou que genes de virulência, como os das operons virA/virG, virB e virC, ficaram menos ativos nas variantes de cromossomo fundido. Em compensação, genes associados a resistência a estresse e competição entre bactérias tiveram expressão aumentada. A troca de configuração parece provocar uma reprogramação global do funcionamento celular.

Além disso, o estudo detectou padrões distintos de coexpressão gênica em módulos específicos, com alguns grupos de genes fortemente associados ao formato do cromossomo. Os módulos mais ativos nas versões de cromossomo único estavam ligados à resposta ao dano no DNA, resistência a compostos fenólicos e tolerância ao ambiente hostil.

Implicações práticas

Para cientistas que utilizam Agrobacterium em melhoramento genético, a descoberta oferece um novo nível de controle.

A configuração natural pode ser mantida para maximizar a eficiência de transformação de plantas. Já variantes fundidas podem ser mais úteis em estudos de laboratório ou aplicações onde crescimento e estabilidade são prioridade.

O conhecimento também pode ajudar a desenvolver estratégias de combate à doença da galha do colo. Forçar linhagens patogênicas a adotar configurações cromossômicas menos eficazes pode reduzir sua agressividade.

Outras informações em doi.org/10.1126/sciadv.adx7408