Using CRISPR Genome Editing to Make Cyanide-Free Cassava

I researchers are using CRISPR to alter the staple crop mansava, making it safer and easier to eat.

Michael Gomez grew up eating mansava with his Colombian’s Colombiaan family. Agora ele está a editar os seus genes.

“Eu conhecia-o como ‘yuca’ a crescer. Era uma grande parte da nossa dieta. Quando eu tive a oportunidade de trabalhar em uma safra que eu consumia regularmente com a família, eu pensei que era uma oportunidade incrível”, diz Gomez, um postdoc no Laboratório Staskawicz no IGI.

Cassava tem muitos nomes: yuca, mandioca, muhogo, tapioca. O amido das raízes tuberosas da mandioca faz as pérolas mastigadas no chá de boba, as bolhas no pudim de tapioca, e é encontrado em uma grande variedade de produtos sem glúten. Em todo o mundo, é uma das raízes mais importantes.

“Cerca de um bilhão de pessoas em todo o mundo dependem da mandioca como fonte de calorias, incluindo cerca de 40 por cento dos africanos. A mandioca não é realmente um produto básico nos EUA, mas em muitas partes do mundo, particularmente nos trópicos, é uma cultura incrivelmente importante”, diz Jessica Lyons, principal investigadora deste projeto de edição do genoma da mandioca no IGI.

A mandioca é importante, mas também vem com um problema embutido que inspirou a equipe do IGI a trabalhar nela: o cianeto. As raízes da mandioca produzem naturalmente o precursor do cianeto. Com o tempo, o consumo de cianeto pode ter efeitos que vão desde problemas cognitivos subtis até ao konzo, uma doença grave caracterizada pela paralisia súbita e irreversível das pernas.

O processamento da mandioca pode remover o cianeto, mas muitas pessoas estão a comer mandioca processada de forma insuficiente. Isto é um problema particularmente em partes da África Subsaariana que sofreram seca, fome e instabilidade. Os efeitos da toxicidade são piores em lugares onde as pessoas não têm acesso fácil às proteínas em suas dietas, o que ajuda a desintoxicar o cianeto e atenua seus efeitos.

Além dos impactos na saúde, o processamento necessário para remover o cianeto da mandioca é um fardo que cai principalmente sobre as mulheres. O processamento industrial é intensivo em termos energéticos e produz águas residuais com cianeto.

“Se formos capazes de impedir a produção de cianeto para começar, isso poderia tornar o processamento muito mais rápido e fácil para as famílias e principalmente para as mulheres que fazem o trabalho”, diz Lyons.

Edição do genoma em mandioca

Para tornar a mandioca sem cianeto uma realidade, Lyons, Gomez e a equipe de pesquisadores do IGI estão usando a edição do genoma CRISPR para bloquear a produção de cianeto.

“Nós aplicamos o CRISPR pela primeira vez para engendrar resistência a uma doença problemática na África Oriental e Central chamada doença da mandioca marrom, em colaboração com o Danforth Plant Science Center em St. Louis, Missouri”, diz Gomez. “Usamos CRISPR para visar dois genes específicos, e mostramos uma redução na gravidade e incidência de sintomas”

“Quando você faz um cruzamento, é como jogar todos os traços, bons e ruins, no ar e você não consegue controlar o que obtém… CRISPR é muito, muito mais rápido do que a criação convencional, e é preciso.”

Movendo-se para o cianeto foi um próximo passo lógico para a equipa do IGI e colaboradores do Danforth Center. O caminho biossintético do cianeto na mandioca já estava bem compreendido, o que forneceu um roteiro para a edição do genoma. Além disso, outros pesquisadores mostraram que era possível interferir neste caminho usando uma técnica conhecida como interferência do RNAi (RNAi) e reduzir mensuradamente os níveis de cianeto.

“A edição do genoma é mais limpa que o RNAi. Ela proporciona uma completa derrubada e faz uma mudança no genoma que é estável e hereditário”, diz Lyons.

Técnicas convencionais de reprodução poderiam, em teoria, remover o cianeto – embora ainda não tenha acontecido em mais de 7000 anos de domesticação. Um desafio à reprodução de características indesejáveis da mandioca é que ela é tipicamente cultivada a partir de estacas de caule, produzindo clones da planta mãe. A abordagem convencional envolve o cruzamento de plantas com características desejáveis e o crescimento da descendência a partir da semente.

“O cultivo da mandioca leva muito tempo, e as plantas nem sempre florescem ao mesmo tempo. Quando se faz um cruzamento, é como atirar todos os traços, bons e maus, para o ar e não se consegue controlar o que se obtém na descendência. CRISPR é muito, muito mais rápido que a criação convencional, e é preciso”, diz Lyons.

What’s Next for Cassava

Quando a equipa do IGI discute o seu trabalho com a mandioca, muitas vezes é-lhes feita uma pergunta chave: O cianeto na mandioca tem algum propósito?

“Pode desempenhar um papel no anti-herbívoro, dissuadindo alguns insectos e animais. No entanto, muitas pragas têm evoluído para tolerar esta toxina, sendo algumas até atraídas por ela. Qual é a sua importância para a resistência às pragas? Ao eliminar o caminho, temos agora uma maneira de estudar cientificamente o papel que o cianeto desempenha”, diz Gomez.

Ainda vai demorar algum tempo até que uma variedade de mandioca sem cianeto esteja disponível para os agricultores. Primeiro, serão necessários estudos de campo com organizações parceiras na África, e a pesquisa não vai parar em apenas uma variedade.

“Agricultores em diferentes partes do mundo podem escolher cultivar uma variedade em vez de outra devido ao sabor, maturidade precoce, alto rendimento e muito mais. Nós gostaríamos de preservar essa diversidade”, diz Lyons. “O que é tão bonito na edição do genoma é que podemos desenvolver o método e depois aplicá-lo a outras variedades”. Estamos criando a plataforma, e então podemos expandir para outras variedades que os agricultores preferem”

Pelícia à CropLife International e à Associação Americana de Comércio de Sementes por ter feito o perfil desta pesquisa no vídeo acima.