Dentro del fitotrón, hileras de gabinetes industriales blancos esconden la vida esperada en un invernadero. Un vistazo a través de un puerto de visualización cuadrado, sin embargo, revela la energía verde que crece dentro de la cámara brillante. Estos árboles jóvenes de álamo específicos pueden no sobrevivir a las dificultades de las sequías prolongadas y las olas de calor, pero están ayudando a un equipo de investigadores a crear los que sí pueden.

Destaca, como las altas temperaturas y la falta de agua dulce, puede causar un crecimiento reducido del cultivo o incluso una pérdida completa. La creciente frecuencia de estos períodos estresantes inspira una carrera para encontrar plantas más tolerantes. Pero los métodos tradicionales de fitomejoramiento son lentos, requiriendo ensayo y error a través de múltiples generaciones. Ahora, un grupo colaborativo de investigadores está rediseñando álamo, un cultivo bioenergético, basado en su genoma específico en solo unos años.

La creciente población humana exige cada vez más el uso de todo tipo de tierras. Para que la industria de los biocombustibles compita con las fuentes de combustible convencionales, debe utilizar los recursos de la tierra, pero lo ideal es que no requieran las mismas tierras premium que se utilizan para cultivar alimentos. Si los cultivos de biocombustibles están diseñados para ser más tolerantes al estrés, pueden mantener una alta producción de biomasa en tierras marginales, manteniendo la industria competitiva.

El año pasado, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía otorgó $ 5.5 millones para mejorar la producción de biomasa de álamo al equipo multiinstitucional de la Universidad de California, Davis, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, y otras dos universidades:University of Tennessee (UT) y West Virginia University (WVU). El título del proyecto es "SyPro Poplar:mejora de la producción de biomasa de álamo en condiciones de estrés abiótico:una ómica integrada, Bioinformática, Biología sintética, y enfoque de ingeniería genética ".

Para el proyecto de cinco años, el equipo está "desarrollando algunos álamos mediante un enfoque transgénico que son tolerantes a múltiples tensiones al mismo tiempo, "dice el co-investigador principal Amir H. Ahkami. Ahkami es un biólogo molecular de plantas con EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL.

Combinaciones

Los estudios anteriores solo se han centrado en un estrés abiótico:la deficiencia de agua, temperatura elevada o salinidad del suelo, a la vez, explica Ahkami. En realidad, las plantas pueden sufrir una combinación de tensiones simultáneamente. Entonces, encontrar una solución específica para álamos en estas circunstancias es el objetivo del proyecto.

El truco puede estar en desarrollar una serie de promotores sintéticos (los promotores controlan la expresión génica) que activan los genes tolerantes al estrés adecuados. Pero llegar allí requerirá una combinación de enfoques avanzados y tecnologías novedosas.

"Estamos reuniendo a biólogos celulares, biólogos moleculares, fisiólogos y un laboratorio nacional en un esfuerzo común, "dice el biólogo vegetal Eduardo Blumwald, el investigador principal principal y profesor distinguido de biología celular en UC Davis. "Este es un enfoque multidisciplinario, y creo que este es el elemento más importante ".

Ahkami agrega, "Y reunimos a un grupo de expertos realmente bueno para este proyecto".

La transformación de plantas requiere una secuencia de ADN que combine un promotor y un gen. Comenzar con plantas que se han sometido a condiciones de estrés ayudará a identificar los genes y proteínas importantes que responden al estrés. Blumwald está aplicando pruebas de estrés controlado a plantas de álamo en un invernadero de investigación en UC Davis. Los tratamientos incluyen la reducción de la disponibilidad de agua, bajar la calidad del agua y apagar el enfriamiento del invernadero.

En fechas concretas a lo largo de los tratamientos, Blumwald toma muestras de hojas y raíces de las muestras de álamo y las envía a PNNL para análisis ómicos específicos de células y tejidos. La transcriptómica es el estudio del conjunto completo de transcripciones de ARN producidas por el genoma de un organismo, mientras que la proteómica es el estudio de sus proteínas. El enfoque ómico específico del tipo de célula es único y será informativo.

Usando este enfoque de multiómica, Ahkami puede identificar genes y proteínas altamente expresados ​​diferencialmente en condiciones de estrés, que se expresan más o menos en comparación con aquellos en condiciones normales. Luego, utilizando una herramienta de ingeniería genética como las repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas o CRISPR, puede verificar la función de un gen de interés.

A continuación, puede identificar los promotores que responden al estrés basándose en los genes y proteínas inducidos por el estrés y, en colaboración con expertos de UT, utilizar la bioinformática para descubrir un elemento regulador particular, o un motivo, que guía la ingeniería de un promotor.

Diseño-construcción-prueba

Al diseñar sus propios promotores sintéticos, los investigadores no se limitan a los promotores que se encuentran en la naturaleza. Pueden diseñar unos que sean específicos para la especie y el tipo de célula para que activen los genes correctos solo cuando sea necesario.

"Queremos interferir lo menos posible con el desarrollo del árbol, ", dice Blumwald." Si vamos a expresar un gen de manera constitutiva todo el tiempo, corremos el riesgo de que el gen haga las plantas un poco más pequeñas, por ejemplo."

Lo compara con una persona que va al supermercado. Si alguien va a comprar comida de camino al trabajo, entonces él o ella debe lidiar con esa comida en el auto o en el autobús y en el trabajo; es engorroso, él dice. Comprando después del trabajo, esa persona obtiene comida solo cuando la necesita. Los rasgos de resistencia al estrés solo deben expresarse cuando se desee.

Utilizando el conocimiento adquirido de las ómicas y las bibliotecas de promotores existentes, los investigadores diseñarán, construir y probar un conjunto de promotores sintéticos potenciales. Más de un centenar de promotores serán evaluados con protoplastos derivados de hojas y raíces de álamo (células con paredes celulares removidas) utilizando un sistema robótico en el co-investigador principal C. Neal Stewart, Jr.'s laboratorio en UT. Para saber si un promotor está trabajando, los investigadores buscarán una proteína fluorescente para iluminar, explica Stewart, profesor de ciencias vegetales, que se centra en la genética vegetal.

"Es una de las cosas en las que se producen muchos fracasos, pero todo lo que necesitas es uno o dos golpes "dice Stewart, "Y luego es un éxito".

El equipo instalará los mejores promotores artificiales en plantas de álamo para impulsar el gen de interés. Luego, los investigadores evaluarán las plantas transgénicas en el invernadero de investigación.

El proyecto culmina con un estudio de campo, lo que lo distingue de la mayoría de los otros proyectos. "Casi siempre ocurre que el rendimiento en condiciones de campo es diferente al rendimiento en invernadero, "dice el co-investigador principal Stephen DiFazio, un profesor de genómica vegetal que supervisará las pruebas de campo en WVU.

El campo expone las plantas transgénicas a otras tensiones, como el viento, escarcha, insectos y patógenos, no visto en el ambiente del invernadero. Los ensayos de campo podrían revelar si la alteración de la expresión de un gen nativo interrumpió otro sistema de la planta, explica DiFazio.

Progreso hasta ahora

Falta un par de años para el estudio de campo, porque el proyecto ahora solo está llegando al final de su primer año. El proyecto es desafiante, dice Ahkami, pero es optimista.

"Los datos que hemos generado hasta ahora, particularmente para la proteómica, son muy prometedores, ", dice." Los identificadores de proteínas que encontramos en cada tipo de célula proporcionan una prueba de concepto para una técnica que podría usarse ampliamente para el fenotipado molecular de los tejidos de las hojas y raíces del álamo sometidos a estrés a nivel de resolución celular ".

Ahkami y el resto del equipo de EMSL no estarían en esta etapa sin la capacidad de integrar múltiples capacidades disponibles en las instalaciones del usuario, algunas de las cuales nunca se han combinado antes. Recientemente, EMSL anunció una reorganización y realineación a nuevas áreas de ciencias, y sus objetivos del Área de Ciencias Biológicas, entre otros focos, mejorar las estrategias de diseño de plantas para la producción de biocombustibles, que es el objetivo del proyecto SyPro Poplar.

Ciertas herramientas clave y experiencia en EMSL permiten el análisis específico del tipo de célula novedoso del proyecto. De las muestras de hojas y raíces, los investigadores pueden apuntar a tipos de células específicos para la recolección utilizando microdisección de captura láser o LCM. Por ejemplo, una hoja tiene empalizada y células mesófilas esponjosas y tejidos vasculares, y una raíz tiene epidermis y células de la corteza y tejidos estelares. La alta resolución del microscopio LCM de EMSL permite a los investigadores seleccionar manualmente células de cierto tipo. El sistema cortará las células deseadas y luego las catapultará sin contacto a un dispositivo de recolección.

Aislando la célula o tejido por tipo, "estás enriqueciendo tu señal, aislar una población mucho más específica en la que luego puede hacer sus preguntas y aplicaciones posteriores, "dice Will Chrisler, Experto en LCM de PNNL. El uso de una muestra a granel de hojas o raíces podría enterrar fácilmente la señal.

Antes del análisis proteómico por espectrometría de masas, el equipo de investigación debe preparar las muestras específicas de tipo celular recolectadas por LCM. La tecnología recientemente desarrollada llamada nanoPOTS (procesamiento de nanodroplet en un solo bote para muestras de seguimiento) juega un papel clave aquí.

"El cuello de botella de la proteómica fue el procesamiento de muestras, "dice el químico analítico Ryan Kelly, uno de los desarrolladores de nanoPOTS, quien mantiene una cita conjunta con EMSL mientras ahora está en la Universidad Brigham Young. Requería muchas células, porque la mayor parte de la muestra se perdió al pasar de la materia prima a la lista para el análisis. Las proteínas no se pueden amplificar al igual que el ADN y el ARN.

Pero ahora nanoPOTS permite al equipo medir proteínas en muestras que son de 100 a 1000 veces más pequeñas que las utilizadas anteriormente. explica Kelly.

El poder de estas herramientas es parte de lo que permite que un proyecto de tal magnitud avance tan rápido en tan solo cinco años.

Álamo popular

Otro factor que acelera el trabajo es el tema:el chopo. Una característica conveniente es su facilidad en la propagación vegetativa, según DiFazio. Los esquejes de tallo colocados en el suelo enraizarán fácilmente. La mayoría de los árboles tardan cinco años en florecer, por lo que esperar semillas tomaría la duración del proyecto, el explica. En lugar de, La propagación vegetativa permite a los investigadores hacer cientos o incluso miles de copias exactas del original en un par de meses. Más, las copias mantienen las mejoras genéticas a diferencia de las semillas que podrían perderlas al cruzarse con otra planta madre.

Esa propiedad, junto con su facilidad de gestión en invernaderos y entornos de investigación, hace del álamo una planta bien estudiada. La información sobre el álamo es abundante, incluyendo su secuencia completa del genoma. También cuenta con un eficiente sistema de transformación, a diferencia de la mayoría de los otros árboles.

El álamo ya se distribuye ampliamente en los Estados Unidos y Canadá. Pero si el equipo tiene éxito, dice Ahkami, luego, los productores pueden expandir el álamo a más áreas y condiciones donde actualmente no prosperan, haciendo más biomasa disponible.

DiFazio piensa en las regiones rurales, como las comunidades de carbón en su estado natal de West Virginia, que están perdiendo sus fuentes de ingresos tradicionales. "Esas comunidades tendrían la oportunidad de desempeñar un papel importante en la economía energética, si podemos desarrollar cultivos que crezcan en las tierras marginales que abundan en esas partes del país, " él dice.

Uno de esos sitios son las minas a cielo abierto. "Completa el ciclo, " él dice.

Pronto en tierras industriales, fila tras fila de energía verde podría estar asomándose.