Un equipo de ingenieros de la Universidad Estatal de Iowa ha desarrollado una mejora clave para la “gene gun” (o «pistola genética»), la herramienta que permite introducir genes en células vegetales usando partículas microscópicas, aumentando drásticamente su precisión y eficiencia (entre 10 a 20 veces) en la modificación genética de cultivos. Esta innovación podría reducir costos, minimizar el daño celular y acelerar investigaciones en biotecnología agrícola y edición genética de cultivos.
Iowa State University / 1 de julio, 2025.- Los científicos vegetales han utilizado una «pistola genética» estándar desde 1988 para modificar genéticamente los cultivos y lograr un mejor rendimiento, nutrición, resistencia a plagas y otras características valiosas.
Esta tecnología, que carga material genético en partículas diminutas y utiliza alta presión para inyectarlas en las células vegetales, ha presentado desafíos para los científicos vegetales, incluyendo ineficiencia, inconsistencia e incluso daño tisular causado por partículas de alta velocidad.
Pero tal como era, la pistola genética funcionaba en los experimentos, y los científicos vegetales trabajaron para sortear los desafíos.
«Ni siquiera sabíamos que teníamos un problema», dijo Kan Wang, agrónomo de la Universidad Estatal de Iowa y Profesor Distinguido Charles F. Curtiss de Agricultura y Ciencias de la Vida.
Shan Jiang, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Iowa, se preguntó si su grupo de investigación podría hacer algo para mejorar esta herramienta básica de la investigación vegetal. Finalmente, él y el grupo determinaron que los científicos vegetales habían estado «disparando una bala sin cañón» durante 40 años. Un artículo recién publicado por la revista Nature Communications detalla la búsqueda de una solución por parte del equipo de investigación, sus hallazgos posteriores y la invención que impulsó a una startup.
Sin embargo, el proyecto iba más allá de resolver un solo problema de ingeniería. Jiang, debido a su trayectoria investigadora, realmente quería usar su enfoque de ingeniería para mejorar la ciencia vegetal y, potencialmente, la vida humana.
Lecciones posdoctorales
Tras obtener su doctorado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Jiang trabajó como investigador posdoctoral en el Laboratorio Langer del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
Ese es el laboratorio de Robert Langer, considerado en su momento el «hombre más inteligente de Boston» por el Boston Globe y cofundador y, hasta agosto pasado, miembro de la junta directiva de Moderna, Inc., líder en la creación de medicamentos de ARNm, incluyendo vacunas para la COVID-19.
Jiang fue uno de los 15 posdoctorales que trabajaron en nuevas ideas para suministrar materiales genéticos para terapias médicas.
«Fue una investigación muy difícil», dijo.
Pero un resultado, incluso después de que se agotara la financiación para la investigación, fue el uso del ARN mensajero para producir proteínas que pudieran ayudar al cuerpo a combatir enfermedades.
“Esa investigación tuvo un profundo impacto en mi vida”, dijo Jiang. “Cuando llegué a la Universidad Estatal de Iowa, pensé en lo que quería hacer”.
Pero no existía un hospital de investigación y las oportunidades para la investigación médica eran limitadas.
“Este proyecto no sería posible sin una estrecha colaboración con los biólogos vegetales. Creemos que la mejor manera de contribuir es comercializar nuestras herramientas para que puedan usarse ampliamente en la comunidad científica de las plantas”. Shan Jiang
Buscó en la literatura científica y leyó sobre la introducción de ADN en células vegetales para introducir o potenciar características específicas, como un alto rendimiento de los cultivos, resistencia a los insectos o tolerancia al calor.
Cogió el teléfono e hizo una llamada en frío.
Wang respondió y se sorprendió al encontrarse con un ingeniero de materiales, pero mostró suficiente interés como para programar un almuerzo y hablar sobre los desafíos de la investigación científica de las plantas, en particular el desafío de introducir material genético a través de las resistentes paredes celulares de una planta.
“Era un área muy descuidada”, dijo Jiang. “Muy pocos científicos de materiales trabajaban en la administración de células vegetales. La agricultura siempre se pasa por alto; la gente quiere curar el cáncer”.
De la pérdida de paciencia a un descubrimiento impactante
La antigua “pistola genética” utilizada por los científicos vegetales para la administración “biolística” de información genética funciona recubriendo micropartículas de oro o tungsteno, de apenas unas millonésimas de metro, con material genético y luego inyectando partículas y carga en las células vegetales.
Algunas de esas células sobreviven al bombardeo de partículas, absorben el ADN introducido y expresan las características correspondientes. A partir de las células transformadas, se pueden cultivar plantas enteras.
“Sin embargo, la administración biolística se enfrenta a importantes desafíos en cuanto a eficiencia, consistencia y daño tisular causado por microproyectiles de alta velocidad, que dificultan la regeneración y la transformación”, escribieron Jiang y sus coautores en su artículo sobre el proyecto (ver detalles del equipo y del artículo a continuación). “Además, a menudo conduce a inserciones de transgenes fragmentadas y múltiples en el genoma, lo que resulta en una expresión génica impredecible”.
Jiang y sus colaboradores de investigación comenzaron a buscar soluciones: «Intentamos minimizar el margen de error», comentó.
Los investigadores intentaron todo lo que se les ocurrió, pero Jiang afirmó que lograron pocos avances. Después de cuatro años, llegó el momento de reconsiderar el tiempo y el esfuerzo invertidos en el proyecto.
«Estábamos perdiendo la esperanza y la paciencia», afirmó Jiang.
En un último intento por encontrar una solución, el equipo de investigación ejecutó modelos de dinámica de fluidos computacional de los flujos de partículas de la pistola genética y descubrió un cuello de botella dentro de un cañón interno. Parecía demasiado estrecho y restrictivo, lo que provocaba pérdida de partículas, interrupción del flujo, disminución de la presión, menor velocidad y una distribución desigual en las células objetivo.
Estos hallazgos señalan limitaciones críticas en el diseño de la pistola genética y nos llevaron a plantear la hipótesis de que modificar la dinámica del flujo dentro de la pistola genética podría mejorar significativamente su eficiencia y consistencia, escribieron Jiang y sus colaboradores. Para ello, los investigadores diseñaron un nuevo cañón interno para la pistola genética, llamado «Flow Guiding Barrel», y Connor Thorpe, estudiante de doctorado y aficionado a la impresión 3D, imprimió uno para realizar pruebas.
«Mejoró el rendimiento un 50 %, y luego dos, tres, cinco, diez, veinte veces», dijo Jiang. «Para ser sincero, me quedé muy sorprendido».
Transformaciones vegetales más sencillas
El modelado computacional muestra que una pistola génica convencional dirige aproximadamente el 21% de las partículas cargadas hacia sus células vegetales objetivo, mientras que una pistola génica modificada con el Flow Guiding Barrel proporciona casi el 100%.
Pruebas posteriores realizadas por científicos de plantas revelaron, por ejemplo, un aumento de 22 veces en la eficiencia de la transfección transitoria en pruebas con cebollas, una mejora de 17 veces en la eficiencia de la infección viral en plántulas de maíz y el doble de eficiencia en experimentos con herramientas de edición genómica CRISPR en trigo.
«Ningún dispositivo anterior había logrado tales mejoras, lo que ofrece un potencial sustancial para avanzar en la transformación independiente del genotipo y la edición genómica de plantas», escribieron los coautores del artículo.
Wang, el científico de plantas de la Universidad Estatal de Iowa contactado inicialmente por Jiang, observó mejoras en el laboratorio de 10 y, en ocasiones, de 20 veces. Podemos trabajar con mucha mayor eficiencia.
Yiping Qi, profesor de ciencias vegetales y arquitectura paisajística en la Universidad de Maryland y colaborador del proyecto, afirmó que el Flow Guiding Barrel «facilitará la transformación de plantas y la edición genómica con una mayor eficiencia». En una prueba, por ejemplo, explicó que el Flow Guiding Barrel permitió que los reactivos CRISPR penetraran más profundamente en el meristemo apical del brote del trigo harinero, la parte de la planta donde se producen células y hojas.
«Esto se tradujo en una mayor eficiencia de la edición genética hereditaria en la próxima generación de trigo», afirmó Qi. «Si bien esta demostración se realizó en trigo, cabe prever que esta mejora también pueda beneficiar a otros cultivos, como la cebada, el sorgo, etc.»
El apoyo para la investigación y el desarrollo del Flow Guiding Barrel provino de fuentes de la Universidad Estatal de Iowa, incluyendo la Plataforma de Investigación e Innovación en Agricultura Digital y de Precisión; la Iniciativa de Investigación Agrícola y Alimentaria del Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura del Departamento de Agricultura de EE. UU.; la Fundación Nacional de Ciencias; y el Departamento de Energía de EE. UU.
Una startup para la ciencia vegetal
El Flow Guiding Barrel funcionó tan bien que Jiang; Thorpe; Wang; Kyle Miller, exestudiante de doctorado en el laboratorio de Jiang; y Alan Eggenberger, científico investigador de la Universidad Estatal de Iowa en ciencia e ingeniería de materiales, emprendieron acciones para investigar el potencial comercial de la invención. Jiang y Thorpe también se inscribieron en los programas de startups de la Universidad Estatal de Iowa y posteriormente cofundaron una empresa con Jibing Lin, graduado de la Universidad Estatal de Iowa y líder de startups. El programa de Transferencia de Tecnología para Pequeñas Empresas del Departamento de Energía de EE. UU. ha apoyado el desarrollo de la empresa.
“Este proyecto no sería posible sin la estrecha colaboración con los biólogos vegetales”, afirmó Jiang. “Creemos que la mejor manera de contribuir es comercializar nuestras herramientas para que puedan usarse ampliamente en La comunidad científica de plantas.
La Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Iowa solicitó la protección de la patente de esta innovación y ha cedido los derechos comerciales a la empresa de los cofundadores, Hermes Biomaterials Inc. La empresa tiene su sede en el Parque de Investigación de la Universidad Estatal de Iowa y fabrica sus productos en Iowa. Continúa su labor de descubrimiento de clientes, basada en el programa del Cuerpo de Innovación de la Fundación Nacional de Ciencias, y ya ha comenzado a vender sus productos.
Con un aumento de la eficiencia de entre 10 y 20 veces, Jiang afirmó que el Flow Guiding Barrel podría ahorrar a los científicos de plantas y a las empresas agrícolas millones de dólares en tiempo y costos de producción de plantas o productos.
«Es un dispositivo pequeño y parece demasiado simple», afirmó Jiang. «Pero los beneficios que puede aportar son invaluables. Permite el desarrollo de estrategias más seguras y eficaces para mejorar los cultivos, haciéndolos más resistentes a los cambios ambientales, mejorar el contenido nutricional y contribuir a la producción de energía sostenible».