Un avance científico mejora drásticamente la capacidad de los investigadores para diseñar plantas y hongos

La capacidad de diseñar genéticamente plantas se debe en gran medida a un ayudante microscópico: un bacteria , que son Agrobacterium tumefaciens. Agrobacterium en la naturaleza causa tumores dañinos en plantas con flores, incluidos algunos cultivos económicamente importantes, pero su capacidad para insertarse letra singular en plantas hospedantes es no sólo una plaga para los agricultores, sino también una poderosa herramienta para la biotecnología. Una nueva investigación publicada hoy en Nature Biotechnology del laboratorio de Patricio Shih, investigador del Centro Innovador Genómica Instituto (IGI) de la Universidad de California en Berkeley y Vicepresidente Adjunto de la División de Materias Primas y Director de Diseño de Biosistemas Vegetales del Instituto Conjunto de Bioenergía (JBEI), demuestra que algunos cambios simples en Agrobacterium pueden mejorar significativamente la eficiencia de la introducción de ADN en un genoma,, también conocida como “transformación”, y abre nuevas oportunidades para transformar otras plantas de cultivo y hongos.

El proceso de transformación mediada por Agrobacterium, o AMT, se ha convertido en una herramienta cada vez más utilizada en la biotecnología de plantas y hongos en las últimas décadas. 

“AMT, a un nivel muy alto, es solo una herramienta para insertar ADN en el objetivo células”, explica el primer autor Matthew Szarzanowicz. “En la naturaleza, es una planta la detección “que inserta un pequeño trozo de su propio ADN en la planta provocando un tumor que alberga la bacteria”.

Los investigadores adoptaron y simplificaron este sistema en la década de 1980 para permitir que los biólogos vegetales introdujeran ADN en los genomas de las plantas. El sistema bacteriano más complicado se simplificó en un pequeño sistema circular. plásmido llamado “vector binario” que fue diseñado para contener el ADN de interés y transportarlo a las células vegetales. 

En las últimas décadas, los científicos que estudian plantas y realizan AMT no han pensado mucho en la estructura del vector binario en sí: utilizan vectores que ya han sido utilizados por otros laboratorios en el pasado, añaden su ADN y esperan que todo salga bien. Se ha prestado relativamente poca atención a la secuencia principal del vector binario.

“Lo que queríamos preguntar era: ¿es este un sistema optimizado?”, dice Szarzanowicz. “Teníamos la firme sensación de que la respuesta era no, porque nunca se había intentado diseñarlo para optimizarlo más para el AMT”.

Los límites de la transformación de las plantas

“Uno de los problemas es que la gran mayoría de las plantas no pueden ser transformadas por Agrobacterium, por lo que existe un problema de diversidad”, dice Shih. “Pero incluso en el caso de las que sí se pueden transformar, el espectro de posibilidades de transformación es bastante amplio”.

En el caso de la biotecnología, la eficiencia es fundamental. La transformación de plantas requiere mucho tiempo, muchos recursos y es costosa. Cuanto menos fallas, más rápido y más barato resulta hacerlo a gran escala.

Los investigadores del IGI y del JBEI están particularmente interesados ​​en el cultivo del sorgo por sus posibles aplicaciones en la producción de biocombustibles y bioproductos avanzados, así como para la eliminación del carbono atmosférico. Pero el sorgo no siempre coopera.

“Podemos transformarla con Agrobacterium, pero cuesta mucho dinero y tiempo”, explica Shih. “Pero si se pudiera aumentar y acelerar el proceso de transformación de la planta y obtener más eventos de un solo disparo, eso realmente podría ahorrar mucho tiempo y dinero”.

Más copias, más éxito

La secuencia principal del vector binario contiene una región conocida como el origen de replicación, que es donde comienza la replicación del ADN, esencial para que un plásmido se reproduzca. Esta región también controla cuántas copias del plásmido se producen, que pueden ir desde una sola copia hasta varios cientos. La literatura previa sugería que un mayor número de copias podría conducir a una transformación más eficiente. El equipo se propuso ver si podían controlar esto mediante la ingeniería de plásmidos con un número de copias cada vez mayor.

Para probar esto, el equipo analizó cuatro orígenes de replicación diferentes utilizados en AMT, diseñados aleatoriamente. mutantesy utilizaron un ensayo de evolución dirigida que les permitió seleccionar individuos que tenían un mayor número de copias.

“Luego volvimos a analizar todas esas mutaciones y demostramos que, en el caso de algunas de ellas, sí que aumentaban el número de copias. Luego, utilizamos esos plásmidos como vector binario que utiliza la bacteria para introducir el ADN en el genoma de la planta”, afirma Shih.

Al aumentar el número de copias, el equipo confirmó que podían mejorar la eficiencia de la transformación, y los resultados fueron aún más espectaculares de lo que esperaban. Pudieron mejorar la eficiencia de la transformación de plantas hasta en un 100%, y en hongos hasta en un 400%, todo ello añadiendo simples mutaciones puntuales al origen de replicación.

Además de mejorar la capacidad de los científicos de plantas para insertar los genes En las plantas, este hallazgo también tiene implicaciones importantes para CRISPR edición de genes en plantas 

“Uno de los grandes problemas, no solo en las plantas, sino también en otras cosas que queremos editar, es la administración de los reactivos CRISPR”, explica Shih. “Se introducen los reactivos CRISPR en el genoma humano”.Cas9, haces tu edición y te deshaces de ella, por lo que no es...crianza transgénica"En primer lugar, todavía hay que poder introducirlo en la célula. La mayoría de las veces, lo hacemos con Agrobacterium, así que la pregunta es ¿cómo podemos introducir de forma más eficiente el reactivo Cas9 para realizar esa edición?"

Shih y Szarzanowicz esperan que este trabajo conduzca a un control más refinado de la transformación, aliviando un cuello de botella clave en la ingeniería de plantas y hongos. 

“Esperamos que los científicos de plantas analicen esto y digan que tal vez haya más cosas en las que deberíamos pensar cuando intentamos optimizar estos sistemas y tal vez ahora podamos usar este conjunto de herramientas para comenzar a experimentar con otras especies para ver qué funciona mejor”, dice Szarzanowicz.

A Shih le interesa ver cómo este enfoque afectará las aplicaciones de hongos y plantas.

“Agrobacterium no ha evolucionado para transformar hongos, pero puede suceder, y por eso podemos mejorar ese proceso”, dice Shih. “Ahora tenemos este chasis para intentar transformar mejor muchos hongos industrialmente irrelevantes que son súper relevantes para diferentes industrias, desde compañías farmacéuticas hasta compañías que están fabricando biomateriales a partir de hongos”.

Más información: Matthew J. Szarzanowicz, Lucas M. Waldburger, Michael Busche, Gina M. Geiselman, Liam D. Kirkpatrick, Alexander J. Kehl, Claudine Tahmin, Rita C. Kuo, Joshua McCauley, Hamreet Pannu, Ruoming Cui, Shuying Liu, Nathan J. Hillson, Jacob O. Brunkard, Jay D. Keasling, John M. Gladden, Mitchell G. Thompson, Patrick M. Shih. La ingeniería del número de copias de vectores binarios mejora la transformación mediada por Agrobacterium. Biotecnología de la naturaleza. https://doi.org/10.1038/s41587-024-02462-2

Este trabajo fue financiado en parte por el DOE Joint BioEnergy Institute (https://www.jbei.org) apoyado por el Departamento de Energía de los EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Investigación Biológica y Ambiental, a través del contrato DE-AC02-05CH11231 entre el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Departamento de Energía de los EE. UU.

Contacto para los medios: andy murdock, andymurdock@berkeley.edu

By Andy Murdock

Andy Murdock tiene un doctorado en Biología Integrativa de la Universidad de California en Berkeley, donde se centró en la filogenética de las plantas verdes y la evolución de los genomas de las plantas. Antes de unirse al IGI como Director de Comunicaciones, Andy gestionó las comunicaciones de investigación para la Oficina del Presidente de la Universidad de California, editó revistas para Informa Life Sciences y trabajó en la industria de viajes como Editor en Jefe de Airbnb y Editor Digital de Lonely Planet. Los escritos de Andy han aparecido en Vox, BBC, Discovery, el Washington Post, San Francisco Chronicle y más.