Facilitar la interacción entre las raíces de una planta y su entorno externo es clave para afrontar diversos desafíos inminentes relacionados con la alimentación, la energía y la sostenibilidad.
por BioDesign Research
Por ejemplo, las plantas con una arquitectura radicular modificada pueden reducir los niveles atmosféricos de dióxido de carbono o incluso aumentar el rendimiento de los cultivos para sustentar a la creciente población humana.
Una forma de lograrlo es construir un “circuito genético” dentro de las células vegetales. Un circuito genético es un conjunto de componentes biológicos que codifican un ARN o una proteína, lo que permite a las células individuales realizar funciones específicas. Dentro de las células vegetales, podría detectar las condiciones ambientales, interpretar señales y exhibir los fenotipos deseados. Sin embargo, diseñar estos circuitos en plantas sigue siendo un desafío.
Si bien se requiere investigación adicional para diseñar circuitos basados en plantas, los circuitos bacterianos han experimentado un enorme progreso. Existen diversos componentes para diseñar circuitos bacterianos, que posteriormente se utilizan para facilitar funciones celulares complejas. Este diseño se extiende a las raíces de las plantas , que son el sitio de interacciones cruciales entre plantas y bacterias. Las rizobacterias (bacterias de vida libre que colonizan las raíces de las plantas) tienen un impacto significativo en la salud de las plantas, la absorción de nutrientes y la química del suelo. Por lo tanto, el diseño de sus circuitos genéticos puede utilizarse para diseñar plantas con cualidades deseables.
Para ello, un equipo de investigadores, entre ellos el profesor José R. Dinneny y su estudiante postdoctoral, el Dr. Christopher M. Dundas, de la Universidad de Stanford, revisó los componentes genéticos y las mejores prácticas para el diseño de circuitos rizobacterianos. Sus hallazgos, publicados en BioDesign Research , se centraron principalmente en los sensores, actuadores y especies de chasis que se utilizan para regular los procesos del microbioma vegetal.
“Aprender sobre enfoques para diseñar circuitos genéticos puede ayudar a los científicos a diseñar interacciones entre plantas y rizosfera de manera eficaz”, afirma el Dr. Dundas al analizar la motivación detrás de esta revisión.
En primer lugar, el equipo exploró herramientas que pueden facilitar la construcción exitosa de circuitos genéticos en rizobacterias. En particular, se utilizan herramientas bioinformáticas, mecanismos de expresión génica ortogonal y minería de genomas para predecir secuencias promotoras funcionales y secuencias de sitios de unión a ribosomas (RBS), con el fin de diseñar la transcripción y la traducción en rizobacterias.
También se están empleando herramientas de ingeniería genómica de última generación para reducir la dependencia de las rizobacterias de la maquinaria de replicación y selección del hospedador. Además, se han desarrollado varios conjuntos de herramientas para la construcción de plásmidos de amplio espectro de hospedadores, necesarios para la transformación de rizobacterias.
A continuación, el equipo analizó el “chasis rizobacteriano”, que facilita la colonización eficaz de los tejidos radiculares y, a su vez, permite el funcionamiento óptimo del circuito. La creación de un chasis ideal se puede lograr mediante la intervención en ciertos genes que regulan las características de las rizobacterias relacionadas con la colonización, como la quimiotaxis, la fijación radicular, el grado de colonización, la formación de biopelículas y la capacidad de evadir el sistema inmunitario de la planta.
Además, es necesario seleccionar una especie de rizobacteria competente para evitar efectos no deseados asociados con el crecimiento bacteriano excesivo en las raíces.
Los exudados radiculares de las plantas, a los que las rizobacterias se exponen habitualmente, constituyen objetivos de detección atractivos para el seguimiento de la salud vegetal. El artículo destaca las ventajas que hacen que los reguladores transcripcionales sensibles a moléculas pequeñas, como azúcares, compuestos nitrogenados, metabolitos secundarios y fitohormonas, sean la opción preferida para el desarrollo de biosensores o circuitos sensores para la salud vegetal.
Los circuitos sensores, a su vez, ayudan a impulsar la expresión de múltiples genes y vías posteriores.
Finalmente, el artículo ofrece una descripción general de los “actuadores rizobacterianos” o circuitos actuadores que impulsan los fenotipos deseados en las plantas colonizadas. El diseño de actuadores puede mejorarse mediante el ajuste fino de la expresión génica biosintética, lo que a su vez puede mejorar la absorción de nutrientes, la tolerancia al estrés biótico/abiótico y el crecimiento de la planta.
“Las estrategias que presentamos pueden ayudar a reconfigurar los circuitos genéticos para mejorar la salud y la productividad de las plantas mediante el ciclo de diseño-construcción-prueba-aprendizaje. A medida que surjan nuevas tecnologías, será emocionante ver cómo las diferentes áreas de investigación bacteriana se entrelazan con los sensores y actuadores rizobacterianos”, comenta el Dr. Dundas.
¿Cómo pueden estos hallazgos beneficiar a las tecnologías emergentes relacionadas? «La intersección de la ciencia de los materiales con la biología sintética está cobrando gran impulso. Nuestros hallazgos aportan información útil para el desarrollo de materiales vivos funcionalizados, que pueden utilizarse para colonizar las raíces de las plantas con diversas aplicaciones», responde el Dr. Dundas.
Si bien los circuitos genéticos rizobacterianos tienen un enorme potencial para transformar la sostenibilidad agrícola, es fundamental abordar las limitaciones técnicas, regulatorias y éticas que rodean a esta tecnología. Además, es necesario explorar su implementación en condiciones climáticas variables. No obstante, los investigadores se muestran optimistas sobre la expansión de estos circuitos para abordar los desafíos globales de seguridad alimentaria y sostenibilidad.
Más información: Christopher M. Dundas et al., Diseño de circuitos genéticos en rizobacterias, BioDesign Research (2022). DOI: 10.34133/2022/9858049
