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Plantas biotecnológicas que detectan y responden ante explosivos, patógenos y metales pesados

Cornell Alliance for Science / 18 de junio, 2019.- Las plantas no pueden huir de los depredadores ni buscar refugio en condiciones climáticas adversas. En su lugar, tienen que ser realmente buenas para detectar y responder a los cambios sutiles en su entorno. Eso las hace grandes candidatos para sensores. Existe todo un campo de investigación que aprovecha la sensibilidad de las plantas al medio ambiente, y podría hacer olas en todo, desde medicina hasta agricultura y seguridad nacional.

Las plantas son inteligentes. Saben cuándo están siendo atacadas, y por qué. Ese olor a hierba recién cortada es solo la versión de la planta de una sirena de tornado. Y las señales liberadas de una herida mecánica por un cortacésped son diferentes de las señales emitidas cuando un insecto se come una planta. Sus respuestas son tan específicas, que las plantas expuestas a diferentes patógenos, o incluso al mismo patógeno con una mutación, emitirán un cóctel diferente de sustancias químicas en el aire.

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Los productos químicos liberados cuando una planta está amenazada sirven como señales de comunicación que son captadas por las plantas vecinas e incluso los insectos amigos (benéficos). Las plantas también pueden comunicarse con los humanos, presentando una señal visible en respuesta a un estímulo. Por ejemplo, se han modificado plantas para cambiar de verde a blanco cuando se activan. Las plantas con el gen para la proteína fluorescente verde derivada de medusas también pueden brillar en respuesta a los estímulos. Teóricamente, los científicos pueden conectar plantas para vincular una respuesta como la eliminación del enverdecimiento o la fluorescencia a cualquier número de señales externas. La respuesta de la planta incluso se puede conectar a un monitor electrónico como un teléfono inteligente a través de nanopartículas que detectan infrarrojos.

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Esa es la base de los programas de investigación dedicados a modificar y diseñar plantas como centinelas. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés) de las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos invierte mucho en el desarrollo de plantas como centinelas para acusar la presencia de explosivos y patógenos a través del programa Advanced Plant Technologies.

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El truco es conseguir que las plantas identifiquen los desencadenantes correctos. Evolucionaron para responder a cosas como los insectos, la luz del sol y la humedad, no las bombas o el ántrax. Pero a veces, una molécula a la que nos gustaría que respondieran las plantas podría ser similar a una que ya reconocen. Por ejemplo, hay varios genes en la planta de laboratorio Arabidopsis que se activan por la presencia de TNT.

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Estos genes probablemente no evolucionaron para responder al TNT. En su lugar, podrían desencadenarse por moléculas que son químicamente similares al material explosivo. Si identificamos sensores que evolucionaron para responder a una señal, podemos ajustarlos para que reconozcan uno que sea ligeramente diferente, como colocar una plantilla adicional en un zapato demasiado grande. Por ejemplo, los estudios han demostrado que es posible modificar las proteínas de señalización bacteriana para detectar explosivos y posibles agentes de guerra biológica.

Desarrollamos inmunidad contra los virus al producir anticuerpos, que son proteínas que se unen muy específicamente a un patógeno determinado. Podríamos diseñar plantas para producir el anticuerpo para la viruela, por ejemplo, y luego producir una señal cuando el virus está presente. Los científicos de la Universidad de Tennessee ya han realizado un trabajo preliminar que muestra que es posible diseñar plantas para detectar patógenos y responder con una señal.

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En algunos casos, puede ser necesario un enfoque más dramático. Los científicos han demostrado que es posible diseñar proteínas que tienen todo tipo de funciones novedosas. Entonces, si no podemos encontrar un sensor para una molécula objetivo en la naturaleza, podríamos diseñar uno y construirlo como una impresora 3D genética.

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Y a veces, un sensor ni siquiera es necesario. Hay todo tipo de productos químicos que las plantas absorben naturalmente de su entorno. Algunos de ellos, como el formaldehído y el cloroformo, preferiríamos prescindir de ellos. Los científicos de la Universidad de Washington han demostrado que es posible diseñar plantas para desintoxicar el aire al descomponer los químicos que ya contienen. Para su trabajo, utilizaron un gen de un conejo que es análogo a un gen expresado en hígados humanos.

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Otros investigadores han demostrado que las plantas pueden diseñarse para aumentar su capacidad natural de absorber metales pesados ​​para desintoxicar el suelo. Eso significa que podemos usar las plantas no solo para señalar amenazas en nuestro entorno, sino también para combatirlas.

Además de ayudarnos, este sentido y capacidad de respuesta se pueden cooptar para ayudar a las plantas a ayudarse a sí mismas. Por ejemplo, a veces es beneficioso para un cultivo expresar caracterpisticas solo bajo ciertas condiciones. Los cultivos que han sido diseñados para resistir la sequía, por ejemplo, típicamente tienen un desempeño pobre en condiciones de no sequía. Si estos cultivos pudieran ser diseñados para activar solo la característica de tolerancia a la sequía cuando perciben una sequía, entonces los agricultores no tendrían que pronosticar el clima para maximizar su potencial.

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Desde los vendajes para heridas inspirados en babosas hasta los paneles solares en forma de panal, los científicos están constantemente inspirados por la naturaleza. Las plantas aprendieron a percibir y responder a las sutilezas de su entorno mucho antes que nosotros. Pero el proceso está orquestado de la misma manera que todos los trabajos internos de la vida: mediante una red de genes. A medida que aprendemos más sobre las redes de genes, podemos comenzar a construir redes artificiales que imitan los sistemas naturales, tomando herramientas prestadas de la evolución para convertir a las plantas en centinelas.

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