Cando Xiaoxi Meng e Zhikai Liang propuxeron a idea hai un par de anos, James Schnable era escéptico. Como mínimo.
"'Ben, podes tentalo, pero non creo que funcione", lembrou o profesor asociado de agronomía e horticultura a Meng e Liang, entón investigadores posdoutorais no laboratorio de Schnable da Universidade de Nebraska – Lincoln.
Estivo equivocado e, en retrospectiva, nunca máis feliz de selo. No entanto, Schnable tiña razóns xustas para levantar unha cella. A idea do dúo - que as secuencias de ADN de cultivos sensibles ao frío que se renden a unha xeada dura poderían prever como as plantas máis salvaxes e máis duras toleran as condicións de conxelación - parecía audaz. Como mínimo. Aínda así, era unha proposta de baixo risco e alta recompensa. Porque se Meng e Liang puidesen funcionar, só poderían acelerar os esforzos para facer cultivos sensibles ao frío un pouco ou incluso moito máis parecidos aos seus homólogos resistentes ao frío.
Algúns dos cultivos máis importantes do mundo domesticáronse en rexións tropicais - millo no sur de México, sorgo no leste de África - que non lles exerceron ningunha presión selectiva para que se desenvolvesen as defensas contra o frío ou a conxelación. Cando eses cultivos se cultivan en climas máis duros, a súa sensibilidade ao frío limita o tempo que se poden plantar e o tempo que se poden coller. As estacións de cultivo máis curtas equivalen a menos tempo para a fotosíntese, o que resulta en rendementos menores e menos alimentos para unha poboación mundial que se espera achegarse aos 10 millóns de persoas no 2050.
Climas fríos
Mentres tanto, as especies vexetais que xa medran en climas máis fríos desenvolveron trucos para soportar o frío. Poden reconfigurar as súas membranas celulares para manter a liquidez a temperaturas máis baixas, evitando que as membranas se conxelen e fracturen. Poden engadir chorros de azucres aos líquidos dentro e ao redor desas membranas, reducindo o seu punto de conxelación do mesmo xeito que o sal que fai na beirarrúa. Incluso poden producir proteínas que sufagan minúsculos cristais de xeo antes de que eses cristais se convertan en masas que rebentan células.
Todas esas defensas orixínanse a nivel xenético, aínda que non só nas secuencias do ADN. Cando as plantas comezan a conxelarse, poden responder apagando ou acendendo determinados xenes, evitando ou permitindo que os seus manuais de instrucións xenéticas sexan transcritos e levados a cabo. Saber cales son os xenes tolerantes ao frío que se desactivan e acenden fronte ás temperaturas xeadas, pode axudar aos investigadores a captar os fundamentos das súas fortificacións e, en última instancia, a elaborar defensas similares en cultivos sensibles ao frío.
Pero Schnable tamén sabía, como fixeron Meng e Liang, que incluso un xene idéntico a miúdo responde de xeito diferente ao frío entre as especies vexetais, incluso estreitamente relacionadas. O que significa, frustrante, que comprender como un xene responde ao frío nunha especie tende a dicir aos científicos das plantas case nada concluínte sobre o comportamento do xene noutra. Esa imprevisibilidade, á súa vez, dificultou os esforzos para aprender as regras que dictan o que desactivará ou activará os xenes.
"Aínda estamos moi mal entendendo por que os xenes se apagan e acenden", dixo Schnable.
Plantas de millo
A falta dun libro de regras, os investigadores recorreron á aprendizaxe automática, unha forma de intelixencia artificial que esencialmente pode escribir a súa. Desenvolveron específicamente un modelo de clasificación supervisado: o tipo que pode, cando se presenta con imaxes etiquetadas suficientes de, por exemplo, gatos e non gatos, eventualmente aprender a distinguir o primeiro do segundo. O equipo presentou inicialmente o seu propio modelo cunha enorme pila de xenes secuenciados a partir do millo, xunto cos niveis medios de actividade deses xenes cando a planta foi sometida a temperaturas xeadas. O modelo tamén foi alimentado "con todas as características que se nos ocorreron" para cada xene do millo, dixo Schnable, incluíndo a súa lonxitude, a súa estabilidade e as diferenzas entre el e outras versións del atopadas noutras plantas de millo.
Máis tarde, os investigadores probaron o seu modelo ocultando só unha información nun subconxunto deses xenes: se responderon ao inicio das temperaturas xeadas ou se non o fixeron. Ao analizar as características dos xenes que se dixera que eran sensibles ou non, o modelo discerniu que combinacións desas características eran relevantes para cada un e logo clasificou con éxito a maioría dos restantes xenes de caixa misteriosa nas súas categorías correctas.
Foi un comezo prometedor, sen dúbida. Pero a verdadeira proba mantívose: ¿podería o modelo tomar o adestramento que recibira nunha especie e aplicalo a outra?
A resposta foi un si definitivo. Despois de ser adestrado con datos de ADN de só unha das seis especies (millo, sorgo, millo perlado, millo proso, millo cola de raposo ou switchgrass), o modelo xeralmente foi capaz de predicir que xenes de calquera das outras cinco responderían á conxelación. Para sorpresa de Schnable, o modelo mantívose incluso cando se adestrou nunha especie sensible ao frío (millo, sorgo, perla ou millo proso), pero encargado de predicir as respostas xénicas no mijo ou en herba de cola de raposo tolerante ao frío.
modelo
"Os modelos que adestramos funcionaron case tan ben entre especies como se realmente tiveses datos nunha especie e usasen os datos internos para facer as predicións desa mesma especie", dixo, un indicio de marabilla que permaneceu na súa voz meses despois. "Realmente non o tería previsto".
"A idea de que só podemos alimentar toda esta información nun ordenador e que pode descubrir polo menos algunhas regras para facer predicións que funcionan, aínda me sorprende".
Esas predicións poderían resultar especialmente útiles á hora de considerar a alternativa. Durante aproximadamente unha década, os biólogos vexetais foron capaces de medir o número de moléculas de ARN, as encargadas de transcribir e transportar as instrucións de ADN, producidas por cada xene dunha planta viva. Pero comparar como esa expresión xénica responde ao frío en exemplares vivos e en varias especies, é un traballo minucioso, dixo Schnable. Isto é particularmente certo coas plantas silvestres, cuxas sementes poden ser difíciles de adquirir. Esas sementes poden non xerminar cando se espera, ou si poden tardar anos en crecer. Aínda que o fagan, cada planta resultante debe cultivarse nun ambiente idéntico e controlado e estudarse na mesma etapa de desenvolvemento.
Máis especies
Todo iso supón un enorme desafío para cultivar suficientes exemplares salvaxes, a partir de suficientes especies salvaxes, para replicar e avaliar estatisticamente as respostas dos seus xenes ao frío.
"Se realmente queremos comprobar que xenes son importantes, que realmente xogan un papel na forma en que a planta se adapta ao frío, necesitamos estar a máis de dúas especies", dixo Schnable. "Queremos ver un grupo de especies que son tolerantes ao frío e un grupo sensible e ver os patróns:" Este mesmo xene sempre responde nun e sempre non responde no outro ".
“Iso comeza a converterse nun experimento realmente grande e caro. Sería moi bo que puidésemos facer predicións a partir das secuencias de ADN desas especies en vez de, por exemplo, tomar 20 especies e tratar de conseguilas todas na mesma etapa, poñelas a todos polos mesmos tratamentos de estrés e mide a cantidade de ARN producido para cada xene en cada especie ".
Afortunadamente para o modelo, os investigadores xa secuenciaron os xenomas de máis de 300 especies de plantas. Un esforzo internacional en curso podería elevar esa cifra ata 10,000 nos próximos anos.
Aínda que o modelo xa superou enormemente as súas modestas expectativas, Schnable dixo que o seguinte paso implicará "convencer a nós mesmos e a outras persoas" de que funciona tan ben como ata agora. En todos os casos de proba ata a data, os investigadores pediron ao modelo que lles contase o que xa sabían. A última proba, dixo, chegará cando os humanos e a máquina empecen de cero.
"O seguinte gran experimento que creo que debemos facer é facer predicións sobre unha especie onde non temos ningún dato", dixo. "Convencer á xente de que realmente funciona nos casos en que nin sequera sabemos as respostas".
O equipo informou dos seus achados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Meng, Liang e Schnable foron os autores do estudo con Rebecca Roston, Nebraska, Yang Zhang, Samira Mahboub e o estudante de primeiro ciclo Daniel Ngu, xunto con Xiuru Dai, un estudante visitante da Universidade Agrícola de Shandong.
Para máis información:
Universidade de Nebraska Lincoln
www.unl.edu