Nuevo enfoque 'apila' genes para una transformación más rápida de las plantas

9 de junio de 2023

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por Stephanie Seay, Laboratorio Nacional de Oak Ridge

En un descubrimiento destinado a acelerar el desarrollo de cultivos con ventajas de proceso para biocombustibles para aviones, los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía desarrollaron la capacidad de insertar múltiples genes en las plantas en un solo paso.

"Mientras tratamos de alcanzar el objetivo de una industria de la aviación sin emisiones de carbono para 2050 con combustibles sostenibles, los desafíos son tremendos, técnica, económica y biológicamente", dijo Jerry Tuskan, director ejecutivo del Centro para la Innovación en Bioenergía dirigido por ORNL. o CBI, que dirigió la investigación. "Tener la capacidad de probar múltiples genes simultáneamente acelerará ese proceso y aumentará la probabilidad de que logremos el objetivo de la nación de desplazar el 100% del combustible de aviación a base de petróleo para 2050".

La técnica de transformación de plantas, conocida como apilamiento de genes, reemplaza el meticuloso método de insertar un gen a la vez en el ADN de una planta objetivo y luego secuenciar la planta para asegurarse de que los genes estén en el lugar correcto y tengan la orientación correcta para desencadenar el rasgos físicos deseados.

Los genes no operan en el vacío. Los rasgos complejos que buscan los investigadores, como un crecimiento más rápido y la tolerancia a la sequía, a menudo están controlados por múltiples genes. La ingeniería genética tradicional implica agregar un gen y su maquinaria bioquímica asociada a las plantas, probar que funciona, luego tomar ese material vegetal y transformarlo una segunda vez con otro gen y probar que funciona, luego un tercer gen y así sucesivamente, en un complejo, proceso intensivo en tiempo.

"Es mucho más eficiente si puede hacer todo eso en una sola transformación", dijo Tuskan, quien también colaboró ​​en la investigación.

Los científicos de ORNL crearon un nuevo método de administración mediante el uso de segmentos de proteínas llamados inteínas que tienen la capacidad natural de separarse de proteínas más grandes y luego volver a empalmarse para crear nuevas proteínas. Los investigadores utilizaron las inteínas para crear un sistema de marcador seleccionable dividido que insertó simultáneamente cuatro genes en las plantas, incluidos los genes que "marcan" o identifican las células transformadas, respaldan su estabilidad y hacen que las ediciones sean detectables por biosensores.

La técnica, descrita en Communications Biology, se demostró en tabaco, la planta modelo Arabidopsis thaliana y el álamo como materia prima de biomasa.

Los híbridos resultantes se examinaron utilizando biosensores basados ​​en luz desarrollados por ORNL que indicaron que los nuevos genes se integraron en la planta. Los hallazgos fueron confirmados al examinar el ADN de la planta.

El proyecto "es el resultado de años de investigación en CBI dedicados a crear materias primas bioenergéticas resistentes que crecen en condiciones menos que ideales", dijo el líder del proyecto ORNL, Xiaohan Yang. "Queremos apilar características en el álamo que hagan que el árbol sea económicamente viable para crecer y procesarlo como combustible para aviones". La nueva capacidad de apilamiento de genes se implementa fácilmente en las tuberías de transformación de plantas existentes y permite resultados mucho más rápidos, dijo Yang.

Como parte de su misión de desarrollar un cultivo sostenible de materia prima no alimentaria para combustible de aviación limpio, CBI ha identificado genes que controlan rasgos de plantas como mayor rendimiento, composición de biomasa que se presta a ser procesada más fácilmente en biocombustibles y tolerancia a la sequía.

Yang y sus colegas han comenzado a trabajar en una iteración de la técnica para insertar 12 genes a la vez: 10 relacionados con funciones biológicas en álamos y dos marcadores. Yang dijo que es factible que la técnica pueda refinarse para soportar el apilamiento de hasta 20 genes.

"Hemos demostrado que podemos aplicar estos nuevos métodos para construir construcciones de plantas de una manera predecible y más eficiente que requiere menos validación y pruebas posteriores", dijo Tuskan. La nueva capacidad "va más allá de una mejora gradual en la tecnología actual y es la culminación de los esfuerzos de muchas personas, lo que representa un importante paso adelante en nuestra capacidad para transformar plantas".

Más información: Guoliang Yuan et al, Los sistemas de marcadores seleccionables divididos que utilizan inteínas facilitan el apilamiento de genes en plantas, Communications Biology (2023). DOI: 10.1038/s42003-023-04950-8

Información del diario:Biología de las Comunicaciones

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge