La ingeniería genética de plantas está en el centro de los esfuerzos de sostenibilidad ambiental, la síntesis de productos naturales de productos farmacéuticos y la ingeniería de cultivos agrícolas para satisfacer las necesidades de una población en crecimiento en un clima global cambiante. Debemos implementar herramientas para transformar las prácticas agrícolas a fin de satisfacer las crecientes necesidades alimentarias y energéticas. El progreso reciente en el desarrollo de herramientas de edición del genoma ha revolucionado la capacidad de los investigadores para investigar y modificar genéticamente los sistemas vivos. Sin embargo, la ingeniería genética de plantas maduras y sus plástidos sigue siendo un desafío debido a las numerosas barreras físicas que deben cruzarse para la edición del genoma de las plantas maduras. Los nanomateriales son muy prometedores para avanzar en nuestro conocimiento y conjunto de herramientas para la edición del genoma, particularmente para la ciencia de las plantas. (I) Desarrollaremos una comprensión a nanoescala a mesoescala de los mecanismos mediante los cuales se puede lograr el transporte de nanopartículas a través de la célula vegetal y las membranas de cloroplasto. (ii) Identificar compuestos de nanopartículas que son altamente eficientes para la internalización de células vegetales y utilizar dichas nanopartículas para entregar ADN, ARN y Cas9-gRNA RNP a plantas y callos de una manera independiente de la especie.

La barrera física que presenta la pared celular ha limitado la facilidad y el rendimiento con el que se pueden administrar biomoléculas exógenas a las plantas. Las técnicas actuales adolecen de limitaciones en el rango de hospedadores, bajas eficiencias de transformación, toxicidad e inevitable integración del ADN en el genoma del hospedador. El estudio propuesto caracterizará sistemáticamente el transporte de nanomateriales en plantas para desarrollar herramientas para la edición del genoma mediada por nanopartículas. Crearemos una plataforma de nanopartículas para permitir el injerto electrostático de biomoléculas de ingeniería del genoma, que se aprovecharán para transformar genéticamente plantas maduras. Nuestro trabajo preliminar demuestra la entrega eficiente de ADN plasmídico basado en difusión y ARN de interferencia pequeño (ARNip) en dos especies de plantas maduras con un conjunto de nanomateriales de carbono de alta relación de aspecto prístinos y funcionalizados químicamente. La entrega eficiente de ADN y la fuerte expresión transitoria de proteínas se logran en maduros. Eruca sativa (rúcula) hojas con nanotubos de carbono de pared simple y de pared múltiple funcionalizados covalentemente o prístinos, con eficiencias comparables a la transfección basada en agrobacterias. Demostramos una segunda estrategia basada en nanopartículas en la que se administra y activa ARNip en el Nicotiana benthamiana citosol de células vegetales, silenciando eficazmente un gen con un 95% de eficiencia. Sobre la base de estos datos preliminares, este estudio se basa en la interfaz de la ciencia de los nanomateriales y la genómica de las plantas, para desentrañar sistemáticamente la complejidad de las interacciones y el transporte de los nanomateriales en las plantas para la edición del genoma.

La producción a gran escala de plantas transgénicas puede mitigar la necesidad cada vez más urgente de cultivos sostenibles y de alto rendimiento. El estudio de la biodistribución de nanomateriales en sistemas vegetales y el aprovechamiento de su uso para crear transformantes genéticos vegetales maduros permitirá un método sintético para crear cultivos robustos que satisfagan nuestras necesidades alimentarias y energéticas. Nuestro trabajo proporciona una herramienta prometedora para la entrega pasiva, dirigida e independiente de especies de material genético, sin integración transgénica, en células vegetales para pruebas rápidas y paralelizables de las relaciones genotipo-fenotipo de la planta.