Los investigadores del MIT han desarrollado una nueva herramienta genética que podría facilitar la creación de plantas que puedan sobrevivir a la sequía o resistir las infecciones por hongos. Su técnica, que utiliza nanopartículas para transportar genes a los cloroplastos de las células vegetales, funciona con muchas especies de plantas diferentes, incluidas las espinacas y otras verduras.

Esta nueva estrategia podría ayudar a los biólogos de plantas a superar las dificultades involucradas en la modificación genética de plantas, que ahora es un complejo, proceso que requiere mucho tiempo y que debe adaptarse a la especie de planta específica que se está modificando.

"Este es un mecanismo universal que funciona en todas las especies de plantas, "dice Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs de ingeniería química en el MIT, sobre el nuevo método.

Strano y Nam-Hai Chua, el vicepresidente del Laboratorio de Ciencias de la Vida Temasek de la Universidad Nacional de Singapur y profesor emérito de la Universidad Rockefeller, son los autores principales del estudio, que aparece en la edición del 25 de febrero de Nanotecnología de la naturaleza .

"Este es un primer paso importante hacia la transformación del cloroplasto, ", Dice Chua." Esta técnica se puede utilizar para la detección rápida de genes candidatos para la expresión de cloroplasto en una amplia variedad de plantas de cultivo ".

Este estudio es el primero que surge del programa recientemente lanzado Singapur-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) en tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP), que está encabezada por Strano y Chua. Los autores principales del estudio son el ex postdoctorado del MIT Seon-Yeong Kwak, quien es ahora el director científico del programa DiSTAP, y el estudiante graduado del MIT Tedrick Thomas Salim Lew.

Dirigirse a los cloroplastos

Hace unos pocos años, Strano y sus colegas descubrieron que al ajustar el tamaño y la carga eléctrica de las nanopartículas, podrían diseñar las nanopartículas para penetrar las membranas de las células vegetales. Este mecanismo, llamada penetración de la envoltura de intercambio de lípidos (LEEP), les permitió crear plantas que brillan, mediante la incorporación de nanopartículas que llevan luciferasa, una proteína emisora ​​de luz, en sus hojas.

Tan pronto como el equipo del MIT informó sobre el uso de LEEP para introducir nanopartículas en las plantas, Los biólogos de plantas comenzaron a preguntarse si podría usarse para diseñar plantas genéticamente, y mas especificamente, para introducir genes en los cloroplastos. Las células vegetales tienen docenas de cloroplastos, por lo que inducir a los cloroplastos (en lugar de solo al núcleo) a expresar genes podría ser una forma de generar cantidades mucho mayores de una proteína deseada.

"Llevar herramientas genéticas a diferentes partes de la planta es algo en lo que los biólogos de plantas están muy interesados, ", Dice Strano." Cada vez que doy una charla a una comunidad de biología vegetal, preguntan si se puede utilizar esta técnica para enviar genes al cloroplasto ".

El cloroplasto, mejor conocido como el sitio de la fotosíntesis, contiene alrededor de 80 genes, que codifican las proteínas necesarias para realizar la fotosíntesis. El cloroplasto también tiene sus propios ribosomas, lo que le permite ensamblar proteínas dentro del cloroplasto. Hasta ahora, Ha sido muy difícil para los científicos introducir genes en el cloroplasto:la única técnica existente requiere el uso de una "pistola de genes" de alta presión para forzar la entrada de genes en las células. que puede dañar la planta y no es muy eficiente.

Usando su nueva estrategia, el equipo del MIT creó nanopartículas que consisten en nanotubos de carbono envueltos en quitosano, un azúcar natural. ADN que tiene carga negativa, se une libremente a los nanotubos de carbono cargados positivamente. Para convertir las nanopartículas en las hojas de las plantas, los investigadores aplican una jeringa sin aguja llena de la solución de partículas en la parte inferior de la superficie de la hoja. Las partículas ingresan a la hoja a través de pequeños poros llamados estomas, que normalmente controlan la evaporación del agua.

Una vez dentro de la hoja, las nanopartículas atraviesan la pared celular vegetal, membranas celulares, y luego las membranas dobles del cloroplasto. Después de que las partículas entren en el cloroplasto, el ambiente ligeramente menos ácido del cloroplasto hace que el ADN se libere de las nanopartículas. Una vez liberado el ADN se puede traducir en proteínas.

En este estudio, los investigadores entregaron un gen para la proteína fluorescente amarilla, permitiéndoles visualizar fácilmente qué células vegetales expresan la proteína. Descubrieron que alrededor del 47 por ciento de las células vegetales producían la proteína, pero creen que podría incrementarse si pudieran liberar más partículas.

Plantas más resistentes

Una de las principales ventajas de este enfoque es que se puede utilizar en muchas especies de plantas. En este estudio, los investigadores lo probaron en espinacas, berro, tabaco, Rúcula, y Arabidopsis thaliana, un tipo de planta de uso común en la investigación. También demostraron que la técnica no se limita a los nanotubos de carbono y que potencialmente puede extenderse a otros tipos de nanomateriales.

Los investigadores esperan que esta nueva herramienta permita a los biólogos de plantas diseñar más fácilmente una variedad de características deseables en vegetales y cultivos. Por ejemplo, Los investigadores agrícolas de Singapur y otros lugares están interesados ​​en crear hortalizas de hoja y cultivos que puedan crecer a densidades más altas. para agricultura urbana. Otras posibilidades incluyen la creación de cultivos resistentes a la sequía; cultivos de ingeniería como el banano, agrios, y el café para ser resistente a las infecciones por hongos que amenazan con acabar con ellos; y modificar el arroz para que no absorba arsénico del agua subterránea.

Debido a que los genes modificados se transportan solo en los cloroplastos, que se heredan por vía materna, se pueden transmitir a la descendencia pero no a otras especies de plantas.

"Esa es una gran ventaja, porque si el polen tiene una modificación genética, se puede propagar a las malas hierbas y se pueden producir malas hierbas resistentes a herbicidas y pesticidas. Debido a que el cloroplasto se transmite de manera materna, no pasa a través del polen y hay un mayor nivel de contención de genes, "Dice Lew.