Aerosol nanoportador:mejores cultivos sin modificación genética

(Izquierda) Esquema del proceso. Una molécula bioactiva (como el ADN o el ARN) se combina con un nanoportador peptídico (un péptido de penetración celular, CPP) en una solución acuosa y luego se rocía sobre las hojas de las plantas con un atomizador en aerosol. Esta técnica puede alterar la expresión génica sin alterar los propios genes. (Derecha) Evidencia de que el sistema puede usarse para promover la expresión génica. La tinción azul se puede ver después de rociar con un complejo de ADN/CPP de plasma que contiene el gen informador GUS. Tenga en cuenta la hoja superior sin ninguna mancha azul. Esta hoja se roció con una solución que contenía el ADN plasmático pero no el péptido portador. Crédito:RIKEN

Investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles (CSRS) en Japón han desarrollado una forma de mejorar la calidad de los cultivos sin necesidad de crear plantas especiales modificadas genéticamente. En lugar de cambiar los genomas de las plantas, la nueva técnica se basa en un aerosol que introduce moléculas bioactivas en las células de las plantas a través de sus hojas. La nueva tecnología podría usarse para ayudar a los cultivos a resistir las plagas o volverse más resistentes a la sequía, en menos tiempo y a un costo menor que hacer líneas de cultivos genéticamente modificados. El estudio fue publicado en la revista científica ACS Nano .

La tecnología ahora puede alterar directamente los genomas y crear organismos genéticamente modificados (OGM), incluidos los alimentos GM. Sin embargo, hacer plantas transgénicas requiere tiempo, dinero y aún no ha obtenido un amplio apoyo público. Los investigadores de RIKEN CSRS dirigidos por Masaki Odahara han desarrollado una alternativa a los alimentos transgénicos que puede superar estos problemas. Por ejemplo, en lugar de cambiar el genoma de una planta para que no exprese un gen en particular, el mismo gen se puede suprimir sobre la marcha mediante la inserción de un compuesto bioactivo específico en la planta. En este escenario, el compuesto bioactivo es llevado a las células de la planta por un transportador que puede penetrar las paredes celulares de las células de la planta.

Si bien el concepto puede ser simple, hacerlo realidad fue un desafío. "Además de diseñar una forma de introducir moléculas bioactivas en las plantas", dice Odahara, "teníamos que considerar un método de administración que fuera práctico para cultivos en condiciones agrícolas reales". El equipo llegó a la conclusión de que el mejor método sería a través de un rociador que pudiera desplegarse en campos grandes con relativa facilidad.

Muchos tipos de nanopartículas pueden penetrar en las células vegetales. Los investigadores se centraron en los péptidos de penetración celular (CPP) porque también pueden dirigirse a estructuras específicas dentro de las células vegetales, como los cloroplastos. El primer desafío fue determinar qué CPP son mejores cuando se usa un aerosol. Etiquetaron los CPP naturales y sintéticos con amarillo fluorescente, los rociaron sobre las hojas de las plantas y midieron la cantidad de fluorescencia en las hojas con un microscopio confocal de escaneo láser en diferentes momentos. Después de realizar este procedimiento en laboratorio típico de Arabidopsis thaliana, así como en varios tipos de soja y tomates, encontraron varios CPP naturales que podían penetrar en la capa externa de las hojas y, en algunos casos, incluso más profundamente.

Evidencia de que el sistema puede usarse para silenciar genes en tomates. El portador del péptido (arriba), el ARN de interferencia (centro) o el complejo que contiene ambos (abajo) se rociaron sobre las hojas de una planta de tomate. La planta de tomate fue diseñada para sobreexpresar una proteína verde fluorescente. Cuando se usó el complejo RNA/CPP, la fluorescencia verde estuvo ausente, lo que indica que el gen que dirige la expresión de la proteína verde fluorescente estaba silenciado. Crédito:RIKEN

Otros experimentos demostraron que esta técnica funcionaba bien cuando el ADN del plásmido se unía a los CPP, y el análisis mostró que los genes se expresaban de manera efectiva en las hojas de A. thaliana y de soja después de introducirlos en las células a través de un rociado acuoso. Los investigadores también descubrieron que al incluir otras biomoléculas y nanoestructuras en la solución de rocío, podían aumentar temporalmente la cantidad de poros en las hojas, lo que aumentaba la cantidad de rocío que absorbía la planta.

A menudo, el rendimiento de los cultivos se puede mejorar insertando o eliminando genes. Después de crear una planta transgénica que sobreexpresa la fluorescencia amarilla en las hojas, el equipo adjuntó el ARN que interfiere con la expresión de la proteína fluorescente a un CPP. Como era de esperar, rociar las hojas con esta compleja expresión de florescencia amarilla silenciada.

"Este resultado fue fundamental", dice Odahara, "porque es importante que cualquier alternativa a la modificación genética pueda lograr el mismo resultado funcional".

Por último, los investigadores pudieron silenciar de manera similar genes específicos de los cloroplastos cuando incluyeron un péptido dirigido a los cloroplastos en un complejo CPP-ARN específico.

"Las mitocondrias y los cloroplastos regulan gran parte de la actividad metabólica de una planta", dice Odahara. "Apuntar a estas estructuras con moléculas bioactivas administradas por aspersión podría mejorar efectivamente los rasgos de calidad económicamente deseables en los cultivos. Nuestro siguiente paso es mejorar la eficiencia del sistema de administración. En última instancia, esperamos que este sistema pueda usarse para proteger de forma segura los cultivos de parásitos u otros factores nocivos”. + Explora más