Rodolphe Barrangou, PhD, y Jack P. Wang, PhD, de TreeCo y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, publicaron un desarrollo con edición genética múltiple en álamos para la producción sostenible de fibra con notables eficiencias operativas, creación de valor bioeconómico y beneficios ambientales tangibles.
Genetic Engineering & Biotechology News (GEN) / 13 de julio, 2023.- Décadas de trabajo de los genetistas de árboles ahora chocan con inteligencia artificial (AI, por sus siglas en inglés) y CRISPR multiplex para superar una barrera importante para la producción sostenible de fibras de madera mientras se mejoran las propiedades de la madera. Sus resultados ofrecen la promesa de hacer que la fabricación de fibra para una amplia gama de productos, desde cartón y papel hasta pañales y ropa, sea más ecológica, económica y eficiente.
«La [madera editada con CRISPR] que hemos fabricado puede tener un impacto tremendo en las operaciones industriales y en la construcción de la bioeconomía», dijo el coautor principal Rodolphe Barrangou, PhD, profesor del Departamento de Alimentos, Bioprocesamiento y Ciencias de la Nutrición en North Carolina State University (NCSU), le dijo al medio digital GEN. “Los beneficios financieros, operativos y ambientales son reales, y esperamos que proporcionen un sentido de urgencia e ímpetu para muchos de nuestros colegas, agencias gubernamentales, inversionistas, innovadores y empresarios”.
Barrangou y sus colegas informaron sobre su desarrollo en un artículo titulado «Edición CRISPR múltiplex de madera para la producción sostenible de fibra«, en Science.
Volviendo una nueva hoja
El coautor principal Jack P. Wang, profesor de la Facultad de Recursos Naturales de NCSU y cofundador de TreeCo, dijo que la importancia de los árboles para el medio ambiente y como nuestra principal fuente de materiales y recursos naturales y el mayor sumidero biológico de carbono en la tierra significa que deben usarse de manera responsable. Son pilares de los ecosistemas y de la bioeconomía. En Carolina del Norte, la silvicultura contribuye con más de US $35 mil millones a la economía local y respalda aproximadamente 140 000 puestos de trabajo.
Es por eso que Wang cree que es desconcertante por qué los materiales genéticos de los árboles que se utilizan en todo el mundo para obtener materiales de fibra sostenibles provienen en su mayoría de árboles domesticados.
“Si piensas en cuánto ha avanzado la agricultura, en general, y cuánto ha avanzado la terapéutica, existen oportunidades sustanciales en la silvicultura para generar beneficios tangibles que podrían hacer que nuestros recursos naturales sean mucho más eficientes, productivos, sostenibles y de mayor calidad”, dijo Wang.
La capacidad de aislar eficazmente las fibras celulósicas deseadas de la madera está determinada en gran medida por el contenido y la composición de la lignina en la madera. La domesticación de árboles forestales para una bioeconomía de fibra más sostenible se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por la complejidad y plasticidad de la lignina, un biopolímero en la madera que es recalcitrante a la degradación química y enzimática.
Durante los últimos 50 años, los investigadores han investigado los componentes individuales de la biosíntesis de lignina para ayudar a comprender cómo los cambios pueden afectar el contenido y la composición de lignina en diversas especies de plantas. Sin embargo, gran parte del trabajo se ha centrado predominantemente en la modificación de genes únicos o familias de genes, mientras que los efectos combinatorios de las perturbaciones multigénicas siguen siendo esquivos.
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A contrapelo
Décadas de investigación en el laboratorio de Wang y sus predecesores Ronald R. Sederoff, PhD, y Vincent L. Chiang, PhD, autores del artículo de investigación de Science, generaron grandes cantidades de datos genéticos y ómicos que se procesaron con IA para predecir y luego clasifique a través de más de 69,000 estrategias de edición de genes multigénicas diferentes dirigidas a 21 genes importantes asociados con la producción de lignina.
“[Los árboles] son organismos muy complejos que pueden prosperar durante cientos de años, por lo que su genética es difícil de entender”, dijo Wang. “Es por eso que necesitábamos ese modelo de aprendizaje automático para descifrar y comprender realmente la regulación genética de la información y luego modificarla usando CRISPR de manera que pueda producir materiales leñosos que sean compatibles con los procesos industriales o la conversión en productos útiles”.
El equipo de investigación utilizó modelos predictivos para establecer objetivos de reducción de los niveles de lignina, aumento de la proporción de carbohidratos a lignina (C/L) y aumento de la proporción de dos componentes importantes de la lignina: siringilo y guayacilo (S/G), en los álamos. Estas características químicas combinadas representan un punto ideal para la producción de fibra, sugieren los investigadores. Las eficiencias encontradas en la producción de fibra también podrían reducir los gases de efecto invernadero asociados con la producción de pulpa hasta en un 20 % si se logra reducir la lignina y aumentar las relaciones C/L y S/G en los árboles a escala industrial.
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A partir de estos, dedujeron siete estrategias diferentes de edición del genoma dirigidas a la alteración simultánea de hasta seis genes. A partir de ahí, los investigadores seleccionaron las siete mejores estrategias que el modelado sugirió que conducirían a árboles que alcanzarían las características deseadas. Estos incluyeron un 35 % menos de lignina que los árboles silvestres o no-modificados, relaciones C/L que fueron más del 200% más altas que los árboles silvestres, relaciones S/G que también fueron más del 200% más altas que los árboles silvestres y tasas de crecimiento de los árboles que eran similares a los árboles silvestres. La relación C/L es un indicador del rendimiento celulósico máximo potencial para la fibra de madera. Las siete estrategias abarcaron varios números de genes objetivo (de tres a seis) y se seleccionaron sobre la base del alcance y la solidez de la mejora prevista en los rasgos de la fibra (lignina reducida, proporciones S/GandC/L aumentadas y buen crecimiento).
Con la tecnología multiplex CRISPR, produjeron 174 variantes de álamos editados, que plantaron, crecieron durante meses hasta varios pies de altura y cosecharon para el análisis y la generación de papel con ganancias que se traducen en procesamiento industrial. Las líneas editadas exhibieron diversos grados de mutaciones de pérdida de función de los genes objetivo. Después de seis meses en un invernadero de NC State, un examen de esos árboles mostró una reducción del contenido de lignina de hasta un 50% en algunas variedades, así como un aumento del 228% en la relación C/L en otras.
Curiosamente, dicen los investigadores, se mostraron reducciones de lignina más significativas en árboles con cuatro a seis ediciones de genes, aunque los árboles con tres ediciones de genes mostraron una reducción de lignina de hasta un 32%. Las ediciones de un solo gen no lograron reducir mucho el contenido de lignina, lo que demuestra que el uso de CRISPR para realizar cambios multigénicos podría conferir ventajas en la producción de fibra.
El estudio también incluyó modelos sofisticados de plantas de producción de pulpa que sugieren que la reducción del contenido de lignina en los árboles podría aumentar el rendimiento de la pulpa y reducir el llamado licor negro, el principal subproducto de la fabricación de pulpa, lo que podría ayudar a las plantas a producir hasta un 40 % más de fibras sostenibles. La madera con bajo contenido de lignina podría reducir el contenido de sólidos del licor negro, eliminando así los cuellos de botella de la caldera de recuperación, posiblemente el componente energético más crucial y limitante de la velocidad de las plantas de celulosa.
“Lo que fue notable es que a través de este proceso de producción del papel, conectamos los números en un modelo económico técnico basado en una operación real de una planta de pulpa fuera de América del Sur y descubrimos que el uso de madera editada con CRISPR potencialmente podría descongestionar uno de los procesos industriales más críticos en la producción de fibra”, dijo Wang. “Al hacerlo, permitió que una planta de celulosa aumentara potencialmente la capacidad de producción de manera sustancial, más del 20 al 40 % de la producción de este biomaterial sostenible muy importante”.
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Se pueden obtener enormes beneficios económicos reduciendo la lignina del 28% al 16% y aumentando la relación S/G de 2,8 a 4,0. El aumento de la relación C/L en la madera también significa que se requiere menos biomasa para producir la misma cantidad de celulosa, mientras que las eficiencias encontradas en la producción de fibra podrían además reducir los gases de efecto invernadero asociados con la producción de pulpa hasta en un 20% si se reduce la lignina y se aumenta Las relaciones C/L y S/G se logran en árboles a escala industrial.
“Cuando se producen materiales de fibra a partir de la madera a través del proceso de fabricación de pulpa, aproximadamente el 50% del árbol o la madera se quema en dióxido de carbono, lo que da como resultado que se libere una cantidad sustancial de dióxido de carbono a la atmósfera”, dijo Wang. “Al usar Madera-CRISPR, el modelo indica que la cantidad de dióxido de carbono liberado en el medio ambiente puede reducirse hasta en un 20 %, lo que resulta en una reducción sustancial del potencial de calentamiento global”, dijo Wang. “Por extensión, el carbono que no pasa a la atmósfera ahora se secuestra como materiales de fibra útiles para sostener la creciente demanda de cartón para embalaje, papel higiénico y pañales, incluso ropa sostenible hoy en día hecha de madera».
Los próximos pasos pueden incluir pruebas de invernadero continuas para ver cómo se comportan los árboles editados genéticamente en comparación con los árboles silvestres. Más tarde, el equipo espera usar pruebas de campo para evaluar si los árboles editados genéticamente pueden manejar el estrés que genera la vida al aire libre, fuera del ambiente controlado del invernadero. En el futuro, será necesario monitorear el impacto de los resultados de la edición del genoma en las propiedades y rasgos fenotípicos del árbol relevantes para la industria en ensayos de campo a largo plazo.
Los árboles como cura
Barrangou, quien también es cofundador, presidente y director científico de TreeCo, además de cofundador y miembro de la junta asesora científica de Intellia Therapeutics, cree que el efecto de un árbol en la salud mundial puede superar el de la medicina en niveles extraordinarios. costo y velocidad.
“CRISPR ha tenido éxito en la clínica, con ensayos de terapia génica en curso y personas que han sido ‘curadas’, pero tomó ocho años dosificar al primer paciente, colectivamente, y dos años más dosificar a un par de docenas de pacientes”, dijo Barrangou. . “Si bien hemos dosificado a cientos de pacientes, ¿cuánto tiempo llevará llegar a un millón de personas? Va a llevar mucho tiempo. Pero la cantidad de personas que pueden beneficiarse de la edición de árboles supera los 10 mil millones: todos los que viven aquí hoy más las personas que nacerán durante la vida útil de esos árboles”.
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Además de las ganancias industriales legítimas y tangibles, esta investigación también muestra ganancias en el calentamiento global en un momento en que no se cumplen los controles de sostenibilidad.
“Las soluciones de carbono no son esperanzadoras ni convincentes”, dijo Barrangou. “Cuando piensas en el hecho de que alrededor del 57 % de todo el carbono del planeta está en los árboles, podría decirse que editar árboles es el mejor camino para abordar eso y lograr lo que pretendemos lograr como planeta a la luz del calentamiento global. La relación costo-beneficio de los árboles editados genéticamente es mucho más barata que la de las terapias de edición de genes, que en este momento pueden costar alrededor de un millón de dólares para un paciente individual y no son una solución realista para aplicar a toda la población mundial”.
Esta combinación de tecnologías de machine learning con CRISPR y conocimientos genéticos puede producir árboles únicos que tienen beneficios ambientales y económicos tangibles. Es importante destacar que este enfoque es aplicable y trasladable a otras especies de árboles para madera, y Barrangou dijo que ya están trabajando en otras especies de mayor interés industrial y operativo, como el eucalipto y el pino.
“Es el comienzo de una nueva era en la silvicultura sostenible”, dijo Barrangou. “Muchas agencias regulares en los EE. UU. y en todo el mundo ahora están familiarizadas con las tecnologías CRISPR y se sienten más cómodas con la implementación de diferentes aplicaciones CRISPR en diferentes campos para diferentes propósitos”.
Y al igual que con todo lo demás en la vida, el tiempo lo es todo. “Si hubiéramos hecho esto hace 10 años, el mundo no estaría preparado para ello, y 10 años después, es demasiado tarde para salvar el mundo”, dijo Barrangou. “Ahora, no es demasiado pronto y, con suerte, no es demasiado tarde”.
- Fuente: https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/timber-multiplex-crispr-editing-for-sustainable-wood-fiber-production/
- Comunicado de NC State University: https://news.ncsu.edu/2023/07/crispr-poplar-tree/
- Estudios: https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4514 |