Insertar o modificar genes en plantas es más un arte que una ciencia, pero una nueva técnica desarrollada por la Universidad de California, Berkeley, los científicos podrían hacer ingeniería genética de cualquier tipo de planta, en particular, edición de genes con CRISPR-Cas9:simple y rápido.

Para entregar un gen, los investigadores lo injertan en un nanotubo de carbono, que es lo suficientemente pequeño como para deslizarse fácilmente a través de la resistente pared celular de una planta. Hasta la fecha, La mayor parte de la ingeniería genética de las plantas se realiza mediante la inyección de genes en el tejido, un proceso conocido como biolística, o mediante la entrega de genes a través de bacterias. Ambos tienen éxito solo un pequeño porcentaje de las veces, lo cual es una limitación importante para los científicos que buscan crear cultivos resistentes a enfermedades o sequías o diseñar plantas para que se conviertan más fácilmente en biocombustibles.

Nanotubos, sin embargo, tienen mucho éxito en la entrega de un gen en el núcleo y también en el cloroplasto, una estructura en la celda que es aún más difícil de identificar con los métodos actuales. Cloroplastos, que tienen los suyos propios, aunque pequeño, genoma absorben la luz y almacenan su energía para uso futuro, liberando oxígeno en el proceso. Una técnica sencilla de suministro de genes sería una bendición para los científicos que ahora intentan mejorar la eficiencia de la captura de energía luminosa para aumentar el rendimiento de los cultivos.

El nanotubo no solo protege el ADN de ser degradado por la célula, pero también evita que se inserte en el genoma de la planta. Como resultado, la técnica permite modificaciones o deleciones de genes que en los Estados Unidos y países distintos de la Unión Europea no activarían la designación "genéticamente modificado, "o OMG.

"Una de las ventajas es solo el tiempo que se ahorra con una tecnología como esta, "dijo Markita Landry, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular de UC Berkeley. "Pero creo que los principales avances serán la capacidad de entregar genes de manera rápida y eficiente a las plantas de todas las especies y de una manera que pueda permitir la generación de líneas de plantas transgénicas sin la integración de ADN extraño en el genoma de la planta".

Un uso clave sería la edición del gen CRISPR-Cas9:entregar el gen para Cas9, que es la enzima que ataca y corta el ADN, junto con la guía de codificación de ADN ARN, la etiqueta de dirección de Cas9, para editar genes específicos con alta precisión. Y el ADN unido a un nanotubo es muy resistente.

"Evaluamos la estabilidad de las construcciones y el costo y, en ambos aspectos, esto es adecuado para la ciencia del garaje, ", Dijo Landry." Puede poner estas cosas en un sobre y enviarlas por correo a cualquier lugar. No necesitas nevera una pistola de genes, bacterias; no necesitas mucho para trabajar con ellos, y son estables durante meses. Podemos generarlos a escala, congelarlos, descongelarlos, son cositas robustas ".

Landry y sus colegas informarán sus resultados en línea el 25 de febrero antes de su publicación en la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Entrega de CRISPR

Landry descubrió que los nanotubos se deslizan fácilmente a través de las paredes celulares de las plantas, que son conocidos por sus capas resistentes, al intentar etiquetar las células con sensores de nanotubos. Los sensores terminaron dentro de la celda, no en la superficie celular.

Inmediatamente vio cómo cambiar esto para entregar genes a las plantas. Los métodos actuales son engorrosos y pueden ser de bajo rendimiento. El uso de pistolas genéticas es destructivo; es como hacer un agujero en una célula vegetal y esperar que su gen y la célula sobrevivan. No todas las plantas pueden infectarse con Agrobacterium portador de genes, y otra técnica, el uso de virus patógenos para transportar genes, funciona para una gama aún más reducida de plantas y corre el riesgo de insertar ADN viral en el genoma de la planta. Todos tienen que ser personalizados para cada planta, y el ADN entregado se integra en el genoma:la definición de OMG.

Ansioso por intentarlo Landry y sus colegas envolvieron el gen de la proteína verde fluorescente (GFP) alrededor de un nanotubo y lo inyectaron en una hoja de rúcula orgánica comprada en un Whole Foods Market local. En un día, las células vegetales brillaban de color verde bajo la luz ultravioleta, lo que indica que el gen GFP se ha transcrito y traducido en proteína, como si fuera el propio gen de la planta.

El efecto duró solo unos días, sin embargo, probablemente porque las proteínas se reciclan, y el ADN se degrada lentamente.

Una vida útil corta no es un inconveniente, sin embargo.

"Parte de lo que hace que la plataforma sea única es que la expresión es transitoria. Cuando miramos en el microscopio entre siete y diez días después, la expresión se ha ido, la fluorescencia se ha ido. Ese no es el caso de Agrobacterium, ", Dijo Landry. Para los científicos que estudian cómo funcionan las plantas, la expresión de un gen durante un período breve puede decirles mucho sobre el papel del gen en la célula.

"Para que esta sea una plataforma muy útil, sin embargo, necesitamos expresar una proteína que en sí misma tiene un efecto permanente sobre el genoma nuclear, " ella añadió.

Su plan es empaquetar el ADN en un plásmido monocatenario que luego se une a un nanotubo de carbono. Dentro de dos o tres días después de difundirse en la célula, se expresarían tanto la proteína Cas9 como el ARN guía CRISPR, permitiéndoles unirse para formar un complejo de ribonucleoproteína que edita el genoma, permanentemente. Ella no ha encontrado ningún efecto tóxico del nanotubo.

"Entonces, ahora tienes una planta que está editada, pero eso se consideraría no OGM fuera de Europa, " ella dijo.

Cargando el nanotubo

Ella y sus colegas probaron la administración de nanotubos en otras plantas:tabaco, un caballo de batalla de la genética vegetal; algodón, cuyo genoma es notoriamente difícil de descifrar; y trigo. Versiones de ingeniería genética de estas plantas ya están en el mercado, pero una técnica simplificada podría acelerar la introducción de genes nuevos y beneficiosos. Tabaco, por ejemplo, ha sido diseñado para producir productos farmacéuticos como medicamentos contra el cáncer.

Aunque Landry y sus colegas aún no comprenden completamente cómo funciona la entrega de nanotubos, la fácil entrada de nanotubos no es una sorpresa total, ella dijo. Las paredes celulares de las plantas permiten que las cosas se deslicen fácilmente si son más pequeñas que unos 5 a 20 nanómetros. que es mucho menor que el límite de tamaño de 500 nanómetros de las células de mamíferos. Los nanotubos tienen aproximadamente 1 nanómetro de diámetro, aunque tienen unos 300 nanómetros de largo:espacio suficiente para unir docenas de genes. Las células vegetales son del orden de 10, 000 nanómetros de ancho.

Ella y sus colegas de laboratorio probaron varias técnicas para unir ADN a nanotubos y descubrieron que la unión más estrecha funcionaba mejor. Cuando los investigadores le dieron al nanotubo una carga positiva antes de introducir el ADN, se pegaba como papel a un peine cargado de electricidad estática.

Ahora está realizando experimentos con nanopartículas de origami de ADN para comprender mejor lo que está sucediendo dentro de las células vegetales después de que ingresan el nanotubo y el ADN. y está experimentando con la entrega de nanotubos en plantas de otros tipos de moléculas, específicamente ARN y proteínas.

"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 poner realmente en marcha las herramientas para la edición del genoma, "dijo Brian Staskawicz, profesor de biología vegetal y microbiana y director científico de agricultura del Instituto de Genómica Innovadora, que está financiando el trabajo adicional en la entrega de CRISPR por Landry y su equipo. "Los siguientes pasos serían, ¿Podemos entregar proteínas ribonucleicas o podemos entregar ARNm o ADN que realmente codifique CRISPR-Cas9? "