Los científicos del IGI utilizan la nanotecnología para colarse ADN en la planta células, creando un método de entrega novedoso para CRISPR-Cas9.
¿Cómo alimentamos a una población en crecimiento a medida que el mundo se calienta? Edición genómica es clave para producir cultivos que puedan resistir los cambios climáticos y de ecosistemas provocados por los cambios climáticos, pero entregando genoma, editar herramientas para plantas es un gran desafío. En un papel publicado hoy in Naturaleza Nanotecnología, Los investigadores de IGI en UC Berkeley informan de un avance importante en la edición del genoma de las plantas: el uso de nanotubos de carbono para entregar ADN a las células de las plantas para la edición del genoma.
Herramientas para editar plantas
Las plantas representan un duro desafío para los futuros editores del genoma. Al igual que las células animales, las células vegetales se editan con herramientas como el ADN, moléculas de ARNy proteínas que necesitan atravesar la membrana celular y luego encontrar su camino hacia el núcleo de la célula, el compartimento donde se aloja el genoma. A diferencia de las células animales, las células vegetales tienen una pared celular: una capa exterior protectora hecha de fibra vegetal resistente. Esta estructura rígida ayuda a dar forma a las células de las plantas y las protege de la infección y la deshidratación, pero también actúa como una cerca, impidiendo la entrada de moléculas grandes, como las proteínas que editan el genoma.
Actualmente, los científicos utilizan algunos métodos para atravesar la pared celular. Un método común es cooptar un bacterias fotosintéticas que infectan naturalmente las plantas para entregar ADN con los genes para los rasgos deseados, en otras palabras, aprovechar las formas microorganismos ya he descubierto cómo pasar la pared celular. Si una bacteria no puede ser manipulada para infectar una determinada especie de planta, el siguiente enfoque es una "pistola genética": los investigadores recubren nanopartículas metálicas en ADN y las "disparan" a las células vegetales como pequeñas balas.
Estos métodos comparten algunos inconvenientes comunes: ambos a menudo tienen baja eficiencia, lo que significa que el ADN solo ingresa a un pequeño porcentaje de células, y la mayoría de las células no tendrán sus genomas editados. Además, el ADN que ingresa se incorpora al propio genoma de la planta en ubicaciones aleatorias. A veces, esas ubicaciones están dentro de las secuencias de ADN de genes importantes, lo que les impide funcionar.
Entra en escena: nanotubos de carbono
La colaboración entre disciplinas genera innovación, y el IGI reúne a investigadores en diferentes campos para hacer precisamente eso. Dos investigadores del IGI, marquita landry, químico y bioingeniero, y Brian Staskawicz, biólogo de plantas, trabajaron juntos para encontrar un nuevo enfoque de nanotecnología para editar plantas.
Los nanotubos de carbono son cilindros diminutos y huecos, de solo un nanómetro de diámetro, hechos completamente de carbono. Sus propiedades moleculares inusuales, como resistencia, flexibilidad y capacidad para conducir el calor, los hacen valiosos para una variedad de aplicaciones en nanotecnología, electrónica y campos relacionados.
Landry, Staskawicz y los investigadores de sus laboratorios trabajaron juntos para recubrir la superficie de los nanotubos de carbono con ADN. La pared celular actúa como una cerca, manteniendo fuera a la mayoría de las moléculas. Pero debido a que los nanotubos de carbono son tan estrechos, pueden deslizarse a través de la pared celular, como si se deslizaran a través de los eslabones de una cerca de alambre. En sus experimentos, el equipo de IGI descubrió que la administración de nanotubos de carbono funcionaba con una eficiencia del 85% al 95%, dramáticamente más alta que la tecnología actual, sin efectos secundarios dañinos.
Entrega de CRISPR en nanotubos de carbono
Cuando los nanotubos de carbono entregan ADN a las células vegetales, las células usan el ADN como plantilla para producir proteínas y ARN. Dentro de unos diez días, natural enzimas CRISPR-Cas en la célula descomponen el ADN entregado por nanotubos. El equipo de IGI quiere utilizar esto para ofrecer herramientas de edición del genoma CRISPR-Cas9 en el futuro: “Si estamos expresando Cas9 y su un ARN guía—Puede editar el genoma y en unos pocos días el ADN se desintegra, el Cas9 se desintegra, pero tienes la edición ”, explica Landry.
En esta aplicación, el nanotubo de carbono estaría recubierto de ADN que codifica la proteína Cas9 y el ARN guía, que trabajan juntos para editar un gen específico. Las herramientas de edición del genoma están presentes el tiempo suficiente para editar el ADN de la planta antes de ser descompuesto por la planta, sin dejar huella. El ADN de la planta solo se cambiaría en el sitio específico que los científicos desean cambiar. Esto significa que, a diferencia de algunos métodos actuales de edición del genoma de plantas, no se insertaría ADN extraño en el genoma de la planta. Si estas plantas se convirtieran en parte de la cadena alimentaria, la gente no comería Cas9 ni ninguna otra herramienta de biología molecular: solo arroz con un gen cambiado para hacerlo más rico en nutrientes, o fresas con un gen cambiado para hacerlas menos sabrosas para las babosas. .
Más duro, mejor, más rápido, más fuerte: edición de cloroplastos
Muchos de los genes más importantes de una planta están protegidos dentro de una estructura que ha permanecido tentadoramente fuera de su alcance: el cloroplasto. Los cloroplastos son el compartimento celular donde las plantas producen energía utilizando la luz solar en el proceso conocido como fotosíntesis. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos evolucionaron a partir de bacterias y tienen su propio genoma que codifica muchos genes de fotosíntesis esenciales. La edición de los genes del cloroplasto puede aumentar la cantidad de energía producida por la fotosíntesis, lo que a su vez puede hacer que las plantas crezcan más grandes, más rápido y produzcan más rendimiento. Pero editar los genomas del cloroplasto es incluso más desafiante que editar el genoma principal de una célula vegetal: las herramientas de edición del genoma no solo deben atravesar la pared celular, sino encontrar el cloroplasto y pasar la membrana del cloroplasto. Las herramientas de liberación de plantas bacterianas no pueden hacer esto, y las pistolas genéticas tienen muy poco éxito.
“Cuando hacemos estudios de seguimiento para ver dónde terminan las nanopartículas”, dice Landry, “van al núcleo y a los cloroplastos. La estimación de que los nanotubos terminan en más del 90% de los cloroplastos sugiere que podemos tener una forma de alto rendimiento de entregar genes a los cloroplastos que superarían con creces las capacidades de la tecnología actual ". Los nanotubos de carbono podrían convertirse en una herramienta fundamental para editar el genoma del cloroplasto.
Próximos pasos
“Para 2050, tendremos que aumentar la producción de alimentos en un 70%. ¿Cómo producimos plantas de una manera más duradera y sostenible? Ese es el desafío ”, explica el autor del estudio Brian Staskawicz. “Y creo que la edición del genoma nos permite hacer eso, de hecho. Testamento Permítanos hacer eso, todavía está en su infancia ".
Si funciona, los científicos podrían usar este método para actuar rápidamente en respuesta a patógenos, plagas de insectos y sequías que amenazan cultivos alimentarios vitales como la soja, y para proteger nuestros cultivos más queridos como cacao y el café, que están amenazados por enfermedades infecciosas y el aumento de las temperaturas.
“Lo sorprendente de estos nanotubos de carbono es que pueden atravesar la pared celular y entrar en el núcleo o en los cloroplastos. Es un avance novedoso que nos permite implementar realmente las herramientas para la edición del genoma ”, dice Staskawicz. "Los siguientes pasos serían, ¿podemos entregar proteínas ribonucleicas o podemos entregar ARNm o ADN que realmente codifique CRISPR-Cas9?" Las respuestas están al alcance.
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Este estudio fue publicado en la edición en línea de la revista. Naturaleza Nanotecnología como "Los nanomateriales de alta relación de aspecto permiten la entrega de material genético funcional sin integración de ADN en plantas maduras. " Además de Landry y Staskawicz, los coautores son Gozde S. Demirer, Huan Zhang, Juliana L. Matos, Natalie S. Goh, Francis J. Cunningham, Younghun Sung, Roger Chang, Abhishek J. Aditham, Linda Chio y Myeong. -Je Cho.
El innovador Genómica Institute (IGI) es una asociación académica sin fines de lucro entre UC Berkeley y UC San Francisco que apoya proyectos de investigación colaborativa en el Área de la Bahía. La misión del IGI es desarrollar e implementar la ingeniería del genoma para curar enfermedades, garantizar la seguridad alimentaria y mantener el medio ambiente para las generaciones actuales y futuras. Como pioneros en la edición del genoma, la genómica funcional y otras tecnologías de vanguardia, los científicos de IGI amplían continuamente los límites de la ciencia.
Contactos para los medios de comunicación
Megan Hochstrasser: megan.hochstrasser@berkeley.edu
Markita Landry: landry@berkeley.edu
