O estudo do metabolismo em plantas vivas apresenta desafios para a ciência. Uma equipe de pesquisa de Leipzig e Würzburg desenvolveu agora uma técnica que muda isso em algumas áreas.
As tecnologias “ômicas” – genômica, transcriptômica, proteômica e metabolômica – estão na vanguarda das descobertas na ciência moderna de plantas e biologia de sistemas. Em contraste com o genoma um tanto “estático”, no entanto, o metaboloma e os produtos medidos nele são muito dinâmicos. Metaboloma: Na ciência, isso se refere à totalidade de todas as pequenas moléculas, também conhecidas como metabólitos, em uma célula biológica, tecido ou organismo. Sua concentração geralmente flutua muito tanto espacial quanto temporalmente.
No campo biomédico, uma das plataformas tecnológicas mais poderosas que permitem estudos funcionais e diagnósticos metabólicos in vivo é a ressonância magnética nuclear (RMN) ou ressonância magnética (RM). Na ciência das plantas, uma perspectiva semelhante tem sido desejada, mas não explorada.
Um novo método para pesquisa de plantas
Este método agora pode ser fornecido por um desenvolvimento de cientistas da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) e do Instituto Leibniz de Genética Vegetal e Pesquisa de Plantas de Cultivo (IPK). Transferência de Saturação de Troca Química (CEST) é um novo método para MRI de plantas. Este método permite acesso não invasivo ao metabolismo de açúcares e aminoácidos em órgãos coletores complexos (sementes, frutas, raízes principais e tubérculos) de grandes culturas (milho, cevada, ervilha, batata, beterraba e cana-de-açúcar).
Peter M. Jakob, Professor de Imagem por Ressonância Magnética Experimental na JMU, e Dra. Ljudmilla Borisjuk, chefe do grupo de trabalho “Assimilate Allocation and NMR” no IPK, foram os responsáveis por isso. O grupo apresenta os resultados de seu estudo na última edição do periódico Science Advances.
Como funciona o CEST
“Imagens comuns de H NMR de tecido biológico, por exemplo, dependem de sinais originários principalmente de prótons de água ou lipídios”, explica Jakob sobre o contexto do projeto de pesquisa. Como a concentração de prótons de metabólitos é pelo menos três ordens de magnitude menor do que a da água, a detecção in vivo de metabólitos requer supressão efetiva do sinal de água.
Transferência de saturação por troca química (CEST), uma abordagem usada no campo biomédico, pode oferecer uma solução. Na CEST, a magnetização é transferida de outras moléculas para moléculas de água para que o efeito de saturação (ou seja, redução de sinal) que estava originalmente nas espécies alvo possa ser observado na água. “Dessa forma, a CEST permite a detecção de vários metabólitos com base em sua capacidade de trocar prótons com água, fornecendo assim um contraste de ressonância magnética adicional”, diz Simon Mayer, primeiro autor do estudo e pesquisador do Instituto IPK Leibniz. “Devido à sua alta sensibilidade de detecção de sinal e baixa suscetibilidade a não homogeneidades de campo magnético, a CEST analisa amostras botânicas heterogêneas inacessíveis à espectroscopia de ressonância magnética convencional.”
Resultados encorajadores
Os resultados são encorajadores. “Nossos estudos demonstram que o CEST é uma abordagem poderosa de MRI que facilita a análise metabólica in vivo em plantas, permitindo resolução microscópica e avaliação dinâmica da distribuição de açúcar e aminoácidos, apesar da heterogeneidade magnética das amostras. Sua aplicação a várias culturas demonstra que o CEST é uma abordagem agnóstica de espécie, variedade e órgão para visualizar metabólitos de forma não invasiva sem a necessidade de rotulagem prévia ou processamento de amostra”, explica a Dra. Ljudmilla Borisjuk.
A equipe de pesquisa mostrou dinâmica de metabólitos no crescimento de sementes, o que é impossível usando técnicas convencionais. Os melhoristas buscam muito conhecimento da dinâmica espaço-temporal de açúcares e aminoácidos em órgãos coletores. Sua distribuição influencia o transporte de massa e o metabolismo de muitas maneiras; esse conhecimento, em última análise, flui para o melhoramento da cultura.
Insights sobre o metabolismo das plantas vivas
O CEST oferece oportunidades sem precedentes para monitorar mudanças dinâmicas em metabólitos em plantas vivas. É particularmente importante para uma compreensão mais profunda da formação de características e para dar suporte à pesquisa de melhoramento por meio de testes in vivo de respostas metabólicas à engenharia genética e/ou alterações de desenvolvimento.
“A visualização da dinâmica dos metabólitos em plantas vivas é uma ferramenta desejada para conectar interações estruturais e metabólicas em respostas de plantas a ambientes em constante mudança. Assim, introduzir o CEST, que visualiza a estrutura interna do tecido e a dinâmica dos metabólitos, evitando traçadores usando apenas uma plataforma tecnológica, a ressonância magnética, é um marco importante em direção a esse objetivo.”
Publicação original
Mayer et al. (2024): Imagem metabólica em plantas vivas: Um campo promissor para transferência de saturação de troca química (CEST) MRI. Avanços da ciência. DOI: 10.1126/sciadv.adq4424
