Se espera que el desarrollo israelí en la Universidad de Tel-Aviv, basado en tecnología CRISPR, revolucione la forma en que se mejoran los cultivos agrícolas, incluidos los cambios específicos que mejorarán las propiedades, como el aumento de los rendimientos o la resistencia a la sequía y las plagas.
Universidad de Tel-Aviv / 15 de mayo, 2023.- Según los investigadores de la Universidad de Tel Aviv responsables del avance: «El nuevo desarrollo permite una mejora de cultivos controlada y específica a escala genómica. Ya hemos aplicado nuestro método con gran éxito a las plantas de arroz y tomate, y tenemos la intención de aplicarlo a otras cultivos también».
Por primera vez en el mundo, investigadores de la Universidad de Tel Aviv lograron desarrollar una tecnología a escala del genoma que permite revelar el papel de los genes y rasgos en las plantas que hasta ahora habían estado ocultos por la redundancia funcional. Los investigadores señalan que desde la revolución agrícola, el hombre ha utilizado para mejorar las variedades de plantas con fines agrícolas mediante la creación de diversidad genética. Pero hasta este desarrollo reciente, solo era posible examinar las funciones de genes individuales, que representan solo el 20% del genoma. Para el 80% restante del genoma, compuesto por genes agrupados en familias, no había forma efectiva, a gran escala del genoma completo, de determinar su papel en la planta.
Como resultado de este desarrollo único, el equipo de investigadores logró aislar e identificar decenas de características nuevas que se habían pasado por alto hasta ahora. Se espera que el desarrollo revolucione la forma en que se mejoran los cultivos agrícolas, ya que se puede aplicar a la mayoría de los cultivos y características agrícolas, como un mayor rendimiento y resistencia a la sequía o las plagas.
La investigación fue realizada por el estudiante postdoctoral Dr. Yangjie Hu bajo la dirección del Prof. Eilon Shani y el Prof. Itay Mayrose de la Escuela de Ciencias Vegetales y Seguridad Alimentaria de la Facultad Wise de Ciencias de la Vida de la Universidad de Tel Aviv. Científicos de Francia, Dinamarca y Suiza también participaron en la investigación. La investigación fue publicada en la prestigiosa revista Nature Plants.
Como parte de la investigación, el equipo de investigadores utilizó la tecnología innovadora CRISPR para la edición de genes y métodos del campo de la bioinformática y la genética molecular para desarrollar un nuevo método para localizar genes responsables de rasgos específicos en las plantas.
Según el Prof. Shani: «Durante miles de años, desde la revolución agrícola, el hombre ha estado mejorando diferentes variedades de plantas para la agricultura promoviendo la variación genética. Pero hasta hace unos años no era posible intervenir genéticamente de manera específica, pero solo para identificar y promover rasgos deseables que se crearon al azar. El desarrollo de tecnologías de edición de genes ahora permite realizar cambios precisos en una gran cantidad de plantas».
Los investigadores explican que a pesar del desarrollo de tecnologías de edición genética, como CRISPR, quedaron varios desafíos que limitaron su aplicación a la agricultura. Uno de ellos fue la necesidad de identificar con la mayor precisión posible qué genes en el genoma de la planta son responsables de un rasgo específico deseado para cultivar. El método aceptado para enfrentar este desafío es producir mutaciones, es decir, modificar los genes de diferentes maneras, y luego examinar los cambios en los rasgos de la planta como resultado de la mutación en el ADN y aprender de esto sobre la función del gene.
Así, por ejemplo, si se desarrolla una planta con fruta más dulce, se puede concluir que el gen alterado determina la dulzura de la fruta. Esta estrategia se ha utilizado durante décadas y ha tenido mucho éxito, pero también tiene un problema fundamental: una planta promedio como el tomate o el arroz tiene unos 30.000 genes, pero alrededor del 80% de ellos no funcionan solos sino que se agrupan en familias. de genes similares. Por lo tanto, si un solo gen de una determinada familia de genes muta, existe una alta probabilidad de que otro gen de la misma familia (en realidad, una copia muy similar al gen mutado) enmascare los fenotipos en lugar del gen mutado. Debido a este fenómeno, llamado redundancia genética, es difícil crear un cambio en la planta misma y determinar la función del gen y su vínculo con un rasgo específico.
El estudio actual buscó encontrar una solución al problema de la redundancia genética mediante el uso de un método innovador de edición de genes llamado ‘CRISPR’. El profesor Mayrose explica: «El método CRISPR se basa en una enzima llamada Cas9 que se encuentra de forma natural en las bacterias, cuya función es cortar secuencias de ADN extrañas. A la enzima se le puede asociar una secuencia de sgRNA, que identifica la secuencia de ADN que la enzima necesita cortar. Este método de edición genética nos permite diseñar diferentes secuencias de sgRNA para permitir que Cas9 corte casi cualquier gen que queramos cambiar. Queríamos aplicar esta técnica para mejorar el control de la creación de mutaciones en las plantas con fines de mejora agrícola, y específicamente para superar la limitación común planteada por la redundancia genética».
En una primera etapa, se realizó un estudio de bioinformática en una computadora que, a diferencia de la mayoría de los estudios en el campo, inicialmente cubría todo el genoma. Los investigadores optaron por centrarse en la planta Arabidopsis, que se utiliza como modelo en muchos estudios y tiene unos 30.000 genes. En primer lugar, identificaron y aislaron unos 8.000 genes individuales, que no tienen familiares y, por lo tanto, no tienen copias en el genoma. Los 22.000 genes restantes se dividieron en familias, y para cada familia se diseñaron computacionalmente las secuencias de sgRNA apropiadas. Cada secuencia de sgRNA fue diseñada para guiar a la enzima de corte Cas9 a una secuencia genética específica que caracterice a toda la familia, con el objetivo de crear mutaciones en todos los miembros de la familia para que estos genes ya no puedan superponerse entre sí. De esta manera, se construyó una biblioteca que totalizó aproximadamente 59.000 secuencias de sgRNA, donde cada sgRNA por sí mismo es capaz de modificar simultáneamente de 2 a 10 genes a la vez de cada familia de genes, neutralizando así de manera efectiva el fenómeno de la redundancia genética.
Además, las secuencias de sgRNA se dividieron en diez subbibliotecas de aproximadamente 6000 secuencias de sgRNA cada una, según la supuesta función de los genes, como la codificación de enzimas, receptores, factores de transcripción, etc. Según los investigadores, establecer las bibliotecas les permitió para enfocar y optimizar la búsqueda de genes responsables de los rasgos deseados, una búsqueda que hasta ahora ha sido en gran parte aleatoria.
En el siguiente paso, los investigadores pasaron de la computadora al laboratorio. Aquí generaron las 59 000 secuencias de sgRNA diseñadas por el método computacional y las diseñaron en nuevas bibliotecas de plásmidos (es decir, segmentos circulares de ADN) en combinación con la enzima de corte. Luego, los investigadores generaron miles de plantas nuevas que contenían las bibliotecas, donde a cada planta se le implantó una sola secuencia de sgRNA dirigida contra una familia de genes específica.
Los investigadores observaron los rasgos que se manifestaron en las plantas después de las modificaciones del genoma y cuando se observó un fenotipo interesante en una planta en particular. Era fácil saber qué genes eran responsables del cambio en función de la secuencia de sgRNA que se insertó en él. Asimismo, a través de la secuenciación del ADN de los genes identificados, fue posible determinar la naturaleza de la mutación que provocó el cambio y su contribución a las nuevas propiedades de la planta. De esta forma, se mapearon muchos rasgos nuevos que hasta ahora estaban bloqueados por redundancia genética. En concreto, los investigadores identificaron proteínas específicas que integran un mecanismo relacionado con el transporte de la hormona citoquinina, fundamental para el desarrollo óptimo de las plantas.
El Prof. Shani concluye: «Se espera que el nuevo método que desarrollamos sea de gran ayuda para la investigación básica en la comprensión de los procesos en las plantas, pero más allá de eso, tiene una enorme importancia para la agricultura: permite revelar de manera eficiente y precisa el conjunto de genes responsables de las características que buscamos mejorar, como la resistencia a la sequía, las plagas y enfermedades, o el aumento de los rendimientos. Creemos que este es el futuro de la agricultura: la mejora controlada y dirigida de cultivos a gran escala. Hoy estamos aplicando el método desarrollamos para plantas de arroz y tomate con gran éxito, y tenemos la intención de aplicarlo a otros cultivos también«.
Con este fin, la empresa de comercialización de tecnología de la Universidad de Tel Aviv (Ramot), en colaboración con el grupo AgChimedes, estableció la empresa DisTree. Esta inversión financiera, combinada con el apoyo comercial y profesional de Agchimedes, permitirá a DisTree aplicar la nueva tecnología a una variedad de cultivos, con el objetivo de revolucionar la genética del mundo de la agricultura y permitir la seguridad nutricional en la era de la crisis climática. .