Investigadores diseñan circuitos genéticos sintéticos que podrían ayudar a las plantas a adaptarse a los desafíos climáticos

 

La actividad de los circuitos genéticos sintéticos que procesan la presencia o ausencia de señales específicas en las hojas de las plantas se midió con un alto rendimiento colocando perforaciones de hojas en placas de 96 pocillos. Cuando las combinaciones correctas de entradas se entregan a las hojas, emiten una fluorescencia verde y la fluorescencia se puede medir con un lector de placas. (Crédito de la imagen: Jennifer Brophy)

Mediante el uso de genes sintéticos, investigadores de la Universidad de Stanford han logrado modificar las estructuras de las raíces de las plantas. Su trabajo podría hacer que los cultivos fueran más eficientes a la hora de recoger nutrientes y agua, y más resistentes a las crecientes presiones del cambio climático.

Universidad de Stanford / 11 de agosto de 2022.- La producción mundial de alimentos se ve cada vez más amenazada por los efectos del cambio climático. Como las inundaciones, las sequías y las olas de calor extremas son cada vez más frecuentes, los cultivos tienen que ser capaces de adaptarse más rápido que nunca.

Investigadores de la Universidad de Stanford trabajan en la manipulación de los procesos biológicos de las plantas para ayudarlas a crecer de forma más eficiente y eficaz en diversas condiciones. Jennifer Brophy, profesora adjunta de bioingeniería, y sus colegas han diseñado una serie de circuitos genéticos sintéticos que les permiten controlar las decisiones tomadas por distintos tipos de células vegetales. En un artículo publicado recientemente en Science, utilizaron estas herramientas para cultivar plantas con estructuras radiculares modificadas. Su trabajo es el primer paso en el diseño de cultivos más capaces de recoger agua y nutrientes del suelo y proporciona un marco para diseñar, probar y mejorar los circuitos genéticos sintéticos para otras aplicaciones en plantas.

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«Nuestros circuitos genéticos sintéticos nos van a permitir construir sistemas radiculares muy específicos o estructuras foliares muy concretas para ver qué es lo óptimo para las difíciles condiciones ambientales que sabemos que se avecinan», dijo Brophy. «Estamos haciendo que la ingeniería de las plantas sea mucho más precisa».

Un código de programación para las plantas

Las actuales variedades de cultivos modificados genéticamente utilizan sistemas relativamente simples e imprecisos que hacen que todas sus células expresen los genes necesarios para, por ejemplo, resistir a los herbicidas o a las plagas. Para lograr un control fino del comportamiento de las plantas, Brophy y sus colegas construyeron un ADN sintético que funciona esencialmente como un código informático con puertas lógicas que guían el proceso de toma de decisiones. En este caso, utilizaron esas puertas lógicas para especificar qué tipos de células expresaban determinados genes, lo que les permitió ajustar el número de ramas del sistema radicular sin cambiar el resto de la planta.

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La profundidad y la forma del sistema radicular de una planta influyen en su eficacia a la hora de extraer diferentes recursos del suelo. Un sistema radicular poco profundo con muchas ramas, por ejemplo, es mejor para absorber el fósforo (que se queda cerca de la superficie), mientras que un sistema radicular más profundo que se ramifica en la parte inferior es mejor para recoger agua y nitrógeno. Con estos circuitos genéticos sintéticos, los investigadores podrían cultivar y probar varios diseños de raíces para crear los cultivos más eficientes para diferentes circunstancias. O, en el futuro, podrían dar a las plantas la capacidad de optimizarse a sí mismas.

Los circuitos genéticos sintéticos diseñados para reconfigurar la expresión génica en las raíces de las plantas pueden usarse para cambiar la forma en que crecen. (Crédito de la imagen: Jennifer Brophy)

«Tenemos variedades modernas de cultivos que han perdido su capacidad de responder a dónde están los nutrientes del suelo», dijo José Dinneny, profesor asociado de biología en la Facultad de Humanidades y Ciencias y uno de los autores principales del trabajo. «El mismo tipo de puertas lógicas que controlan la ramificación de las raíces podría utilizarse, por ejemplo, para crear un circuito que tenga en cuenta las concentraciones de nitrógeno y fósforo en el suelo, y luego genere una salida que sea óptima para esas condiciones».

De los organismos modelo a los cultivos modernos

Brophy diseñó más de 1.000 circuitos potenciales para poder manipular la expresión génica en las plantas. Los probó en las hojas de las plantas de tabaco, para ver si podía hacer que las células de las hojas crearan una proteína que brilla en la oscuridad y que se encuentra en las medusas. Encontró 188 diseños que funcionaban, que los investigadores están subiendo a una base de datos de ADN sintético para que otros científicos puedan utilizarlos en su trabajo.

Una vez que tuvieron los diseños que funcionaban, los investigadores utilizaron uno de los circuitos para crear puertas lógicas que modificaran la expresión de un gen de desarrollo específico en un tipo de célula de la raíz de Arabidopsis thaliana, una pequeña planta que suele utilizarse como organismo modelo. Cambiando el nivel de expresión de ese único gen, pudieron modificar la densidad de las ramas en el sistema radicular.

Ejemplos de circuitos genéticos sintéticos que procesan la presencia o ausencia de señales específicas en hojas de plantas. Cuando las combinaciones correctas de entradas se envían a las hojas, emiten una luz verde fluorescente. (Crédito de la imagen: Jennifer Brophy)

Ahora que han demostrado que pueden cambiar la estructura de crecimiento de un organismo modelo, los investigadores pretenden aplicar estas mismas herramientas a los cultivos comerciales. Están investigando la posibilidad de utilizar sus circuitos genéticos para manipular la estructura de las raíces del sorgo, una planta que puede convertirse en biocombustible, para ayudarla a absorber agua y realizar la fotosíntesis de forma más eficiente.

«El cambio climático está alterando las condiciones agrícolas en las que cultivamos las plantas de las que dependemos para obtener alimentos, combustibles, fibras y materias primas para medicinas», dijo Brophy. «Si no somos capaces de producir esas plantas a escala, nos enfrentaremos a muchos problemas. Este trabajo pretende ayudar a garantizar que tengamos variedades de plantas que podamos cultivar, incluso si las condiciones ambientales en las que las cultivamos se vuelven menos favorables.»

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