Un equipo del Innovative Genomics Institute de la Universidad de California, Berkeley (UCB) ha producido un aumento en la expresión genética en un cultivo alimentario cambiando su ADN regulador. Mientras que otros estudios han utilizado la edición de genes CRISPR/Cas9 para eliminar o disminuir la expresión de genes, una nueva investigación publicada en Science Advances es el primer enfoque imparcial de edición de genes para aumentar la expresión genética y la actividad fotosintética.
University of Illinois at Urbana-Champaign / 7 de junio, 2024.- Un equipo del Instituto de Genómica Innovadora de la Universidad de California, Berkeley (UCB) ha producido un aumento en la expresión genética en un cultivo alimentario cambiando su ADN regulatorio. Mientras que otros estudios han utilizado la edición de genes CRISPR/Cas9 para eliminar o disminuir la expresión de genes, una nueva investigación publicada en Science Advances es el primer enfoque imparcial de edición de genes para aumentar la expresión genética y la actividad fotosintética posterior.
«Herramientas como CRISPR/Cas9 están acelerando nuestra capacidad para ajustar la expresión genética en los cultivos, en lugar de simplemente eliminar genes o ‘apagarlos’. Investigaciones anteriores han demostrado que esta herramienta se puede utilizar para disminuir la expresión de genes implicados en importantes compensaciones, como las que existen entre la arquitectura de la planta y el tamaño del fruto», afirmó Dhruv Patel-Tupper, autor principal del estudio y ex investigador postdoctoral en el Laboratorio Niyogi en la UCB.
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«Este es el primer estudio, hasta donde sabemos, en el que preguntamos si podemos usar el mismo enfoque para aumentar la expresión de un gen y mejorar la actividad posterior de una manera imparcial».
A diferencia de las estrategias de biología sintética que utilizan genes de otros organismos para mejorar la fotosíntesis, los genes implicados en el proceso de fotoprotección se encuentran de forma natural en todas las plantas.
Inspirándose en un estudio de Nature Communications de 2018 que mejoraba la eficiencia del uso del agua de un cultivo modelo al sobreexpresar uno de estos genes, PsbS, en plantas, el laboratorio Niyogi y su líder Kris Niyogi querían descubrir cómo cambiar la expresión de genes nativos de una planta sin añadir ADN extraño (o de otra especie).
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Según la Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO), el arroz suministra al menos el 20% de las calorías del mundo y, como tiene sólo una copia de cada uno de los tres genes fotoprotectores clave en las plantas, era un sistema modelo ideal para este estudio de edición genética.
El laboratorio Niyogi llevó a cabo este trabajo como parte del «Realizing Increased Photosynthetic Efficiency» (RIPE), un proyecto de investigación internacional dirigido por la Universidad de Illinois que tiene como objetivo aumentar la producción mundial de alimentos mediante el desarrollo de cultivos alimentarios que conviertan la energía del sol en alimentos de manera más eficiente con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación sobre Alimentación y Agricultura y el Ministerio de Asuntos Exteriores, Commonwealth y Desarrollo del Reino Unido.
El plan del laboratorio era utilizar CRISPR/Cas9 para cambiar el ADN aguas arriba del gen objetivo, que controla qué cantidad del gen se expresa y cuándo. Se preguntaron si hacer esos cambios tendría un impacto en la actividad downstream y en qué medida. Incluso ellos se sorprendieron con los resultados.
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«Los cambios en el ADN que aumentaron la expresión genética fueron mucho mayores de lo que esperábamos y mayores de lo que realmente hemos visto en otras historias similares», dijo Patel-Tupper, ahora miembro de Política Científica y Tecnológica de la AAAS en el USDA.
«Nos sorprendió un poco, pero creo que demuestra cuánta plasticidad tienen las plantas y los cultivos. Están acostumbrados a estos grandes cambios en su ADN tras millones de años de evolución y miles de años de domesticación. Como señalan los biólogos vegetales , podemos aprovechar ese ‘margen de maniobra’ para realizar grandes cambios en sólo unos pocos años para ayudar a las plantas a crecer de manera más eficiente o adaptarse al cambio climático».
En este estudio, los investigadores de RIPE aprendieron que las inversiones o «volteos» del ADN regulador daban como resultado una mayor expresión genética de PsbS. Único en este proyecto, después de que se realizó la mayor inversión en el ADN, los miembros del equipo llevaron a cabo un experimento de secuenciación de ARN para comparar cómo cambiaba la actividad de todos los genes en el genoma del arroz con y sin sus modificaciones.
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Lo que encontraron fue una cantidad muy pequeña de genes expresados diferencialmente, mucho más pequeña que estudios de transcriptomas similares, lo que sugiere que su enfoque no comprometió la actividad de otros procesos esenciales.
Patel-Tupper añadió que si bien el equipo demostró que este método es posible, sigue siendo relativamente raro. Alrededor del 1% de las plantas que generaron tenían el fenotipo deseado.
«Aquí mostramos una prueba de concepto: podemos usar CRISPR/Cas9 para generar variantes en genes de cultivos clave y obtener los mismos avances que obtendríamos en los enfoques tradicionales de fitomejoramiento, pero en un rasgo muy centrado que queremos modificar y en un plazo mucho más rápido», afirmó Patel-Tupper.
«Definitivamente es más difícil que utilizar un enfoque de plantas transgénicas, pero al cambiar algo que ya existe, podemos prevenir problemas regulatorios que pueden retardar la rapidez con la que herramientas como ésta llegan a manos de los agricultores».